哈工大顶刊《IJP》：激光冲击强化高熵合金！

类似于传统的金属材料，高熵合金(High entropyalloy, HEA)通常也表现出一种强度-延性的倒置现象，其强度的增加往往伴随着塑性的降低，反之亦然，这严重限制了它们作为结构材料的工程化应用。开发出具有可调节的微观结构的梯度合金能有效克服上述问题。目前，诸多表面处理技术可获得梯度结构，譬如：表面机械磨损处理、高能喷丸强化、表面机械磨削处理、水空化喷丸强化和表面机械轧制处理等。其中，激光喷丸(Lasershock peening, LSP)作为一种通用的、对加工产品形状无损的方法，因其简单而有效的优势已经得到了广泛研究。现有研究表明，可以在传统合金中产生高振幅和数毫米深度的压应力，从而极大地提高疲劳耐久性、耐磨性和耐腐蚀性。目前有关于LSP的研究主要集中于传统合金的表面硬化等以达到改善其疲劳寿命的目的。而对于许多金属材料而言，其宏观拉伸力学行为则一定程度上会影响其工程化应用。

目前，许多单相面心立方结构(FCC)的HEAs因其具有较低的堆垛层错能(SFE)，较易产生变形纳米孪晶。因此，采用LSP处理该类高熵合金可以诱导产生包括晶粒尺寸和孪晶密度在内的梯度结构。该类梯度材料体现何种力学变形特征？其变形机制如何？理清上述问题，将会对于高熵合金的微观结构调控及其变形机理的认识具有重要的科学意义。

基于此，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院的黄永江团队与英国皇家工程院院士、香港大学颜庆云教授(A.H.W. Ngan)合作，将LSP应用于一种新型的低层错能的高熵合金(CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA)，并详细探究了LSP对于该合金微观组织结构的影响机制，尤其是其纳米/微米尺度上的结构演变规律，并探明LSP对于这种新型合金材料的宏观拉伸性能的影响机制。相关研究成果以题“Strengthening CrFeCoNiMn0.75Cu0.25 high entropy alloy via laser shock peening”发表于材料力学顶级期刊International Journal of Plasticity。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103296

本文依据高熵合金成分设计准则制备了具有低层错能(~18 mJ/m2)的单相FCC结构的六元CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA。电弧熔炼得到了相应的合金板材，并分别对其表面分别进行1次及4次激光冲击强化处理，随后深入研究其拉伸变形行为及微观组织演化。

研究结果表明，经过LSP处理后，CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA样品的强度及塑性显著提升。特别地，经过四次LSP的HEA试样的屈服强度达到了铸态合金的2倍以上，归因于其表面形成的由亚晶粒、致密位错和纳米孪晶组成的梯度结构。LSP处理后的样品中致密的位错以及变形孪晶显著提升了其应变硬化能力，使得合金在拉伸变形过程中具有优异的塑性。此外，本文揭示了LSP诱导的晶粒细化机制。文中不同拉伸应变下LSP处理后的合金微观组织以及局部应变的结果则表明，LSP处理后的合金的塑性变形主要由不受LSP影响的中心区域的位错调节，而受LSP影响的表层已经充分硬化，其塑性有限。本文的研究结果表明，利用激光冲击强化技术可以开发出具有优异力学性能的梯度结构材料。

图1. (a) 铸态HEA的EBSD图谱以及(b)晶粒尺寸分布；铸态、冷轧后再结晶退火(RA)和LSP处理后HEA的(c)工程应力-应变曲线及(d)应变硬化速率曲线。

图2.LSP处理前后的合金试样在不同深度下的(a) 显微硬度值及 (b) 压痕形貌

图3.(a, c, e)一次以及(b, d, f)四次LSP处理后的CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA截面的EBSD图谱：(a)、(b)晶粒形貌，(c)、(d)晶粒尺寸统计和(e)、(f)取向差角；图3a和3b分别所示为I区(深度为~80 mm时)和II区对应于试样中不同深度的区域。

图4.四次LSP处理后的HEA合金样品在不同深度方向上的微观组织结构的TEM明场像：(a)50 mm深度处的双向NTs；(b) 150 mm深度的单向NTs；(c)300mm深度的位错线。

图5.四次LSP处理后HEA合金在不同拉伸应变(e)后样品表层的TEM图片：(a)e=5%，(b)e=16%

图6.四次LSP处理后CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA的结构特征： (a)孪晶及亚晶界明场图像，(b)在LSP过程中亚晶界形成的示意图

图7.(a) 铸态、一次LSP和四次LSP处理后的HEAs强化机制示意图；(b)屈服强度与晶粒尺寸和位错密度的曲线图；(c)LSP处理前后CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA试样的屈服强度增量柱状图

图8.(a) 四次LSP处理后的梯度结构HEA的塑性变形行为的有限元模型示意图；不同拉伸应变下的局部应变分布： (b) 1.6%，(c)5%，(d)16%

总的来说，本文详细探究了LSP处理后的CrFeCoNiMn0.75Cu0.25HEA的微观组织演化及其变形行为。结果表明：1次冲击和4次冲击后，合金的表面显微硬度分别提高了20%和33%。此外，在所研究的HEA样品中，多次LSP处理后，合金表面出现了~80 mm厚的细化晶粒层。表层晶粒细化是由于变形孪晶的形成对其内部的粗晶进行分割，继而导致了小取向差角的亚晶界产生。此外，拉伸结果表明，具有良好的梯度结构的四次LSP 处理后的HEA的力学性能显著提升。TEM观察以及有限元模拟的结果表明，对于多次LSP处理后的HEA试样而言，其优异的塑性主要由未受LSP影响的核心区域的位错进行调节。与结构均匀的合金样品相比，LSP处理后的HEA具有更优异的塑性，这是因为其表面的硬化层促进了稳定的塑性流变，从而延迟了局部破坏。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持

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