高含量有序纳米析出相在BCC轻质高熵合金中实现优异的强塑性匹配

图1 . ( a )均匀化BCC - LHEAs的XRD图谱和( b、c、d、e) BSE图像。

导读：体心立方( BCC )轻质高熵合金( LHEAs )因其优异的力学性能而备受关注。相干有序纳米沉淀法( CON )硬化是打破强度-塑性权衡的有效策略，其中实现高含量CON弥散分布是关键因素。在本工作中，我们选取了BCC结构的Ti - Zr - V - Nb - Al体系作为LHEA模型。通过调整B2 - CON的组成，使B2 - CON与基体的晶格错配度保持在较低的水平(~0.2 % )，保证了高含量B2 - CON的弥散分布。此外，采用快速冷却的低温热处理工艺，有效避免了其他有害析出相的形成。因此，在Ti - Zr - V - Nb - Al LHEAs中获得了弥散分布的高含量( 65 % ) B2-CON，使其强度显著提高至430 MPa (占总强度的41 %)，并保持了相当的延展性( 16 % )。本研究为开发具有优异强度和延展性的强化提供了有效途径。

轻质高熵合金( LHEAs )是一种由多种轻元素组成的多主元合金，具有比强度高、抗氧化性能好、耐腐蚀性能好等优点，受到广泛关注。目前，基于初级要素的LHEA主要有两类。第一类是由超低密度元素( Al、Li、Mg等。)和3d过渡金属( TM )元素组成。由于组成元素之间的电负性差异较大，这些合金体系中一般会形成金属间化合物，严重恶化的延展性。第二类是由Ti、Zr、V、Nb、Cr等难熔元素组成；由于固溶强化效应和较低的价电子浓度，这些难熔LHEAs往往表现出相当的强度和塑性。由于体心立方( BCC )稳定元素( Nb、V、Cr等。)的贡献，BCC通常是这些LHEAs中的主要结构，也可以称为BCC - LHEAs。

尽管如此，探索具有优异力学性能的BCC - LHEAs仍是当前的研究热点。目前，共格有序纳米沉淀法( CON )强化是打破强度-塑性权衡的有效策略之一。在几个Al - Co - Cr - Fe - Ni - V高熵合金体系中已经证明了CON强化。要有效实现CONs的强化效果，高含量且分散分布的CON是关键因素。最近，Xue等研究表明，当L12 - CON含量从41 %增加到48 %时，Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2高熵合金可获得约440 MPa的额外强化效果，并能保持相当的塑性。最近，CON强化效应也在具有BCC结构的难熔高熵合金中得到证实。在Ti - Zr - V - Nb - Al LHEAs中，通过引入~ 17 % B2-CON，发现强度增加了223 MPa，占总强度的~20 %。然而，在已报道的具有拉伸塑性的B2 - BCC高熵合金中，B2 - CON含量普遍较低，限制了其强化效果。当B2 - CON含量显著增加至50 %时，BCC - LHEAs在拉伸过程中普遍变脆，严重限制了其工程应用。高含量引起的脆性被认为主要与B2 - CON的净形状分布有关。Senkov et al发现当B2 - CON的含量增加到~50 %时，B2 - CON可以相互连接并呈现网状结构。这种B2形态可以显著阻碍变形带的扩展，因为B2 - CON通常是脆性的，无法提供足够的塑性变形，导致合金的塑性降低。因此，提高B2 - CON的含量，保证B2 - CON的分散分布，是实现B2 - CON增强BCC - LHEA高强韧性匹配的关键。

在本工作中，非等摩尔Ti - Zr - V - Nb - Al BCC - LHEA体系被选为B2 - CON强化BCC - LHEA的模型合金，因为它已经显示出相当大的比强度和拉伸性能。通过调整Al元素和热处理条件，成功获得了B2 - CON含量较高(≥65 % )且分散分布的BCC - LHEA。B2 - CON的弥散分布主要是由于B2 - CON与BCC基体之间的晶格失配度较低。这种高含量的弥散B2 - CON对(占总强度的41 %)合金具有显著的强化作用，其屈服强度可达到- 1072 MPa。同时，由于高含量B2 - CON的分散分布，其延性( 16 % )也很可观。北京理工大学材料科学与工程学院薛云飞团队作了相关研究，其研究成果以“Achieving outstanding strength-ductility matching in BCC light-weight high entropy alloys via high content ordered nanoprecipitates”为题，发表在Materials Science and Engineering: A上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509323012856

图2 . ( a ) A0合金，( b ) A6.67合金，( c ) A12.5合金和( f ) A17.5合金的TEM暗场像和相应的选区电子衍射( SAED )图谱。( d ) A12.5合金的HRTEM图像和( e ) BCC和B2 - CON的共格界面。

图3 .均匀化BCC - LWHEAs的拉伸应力-应变曲线。

图4 . ( a ) ( b ) ( c ) BSE图，( d ) ( e ) ( f ) A12.5合金在400°C、600°C和800°C时效的TEM暗场像和相应的SAED图。

图5 .不同时效温度下A12.5合金的拉伸应力-应变曲线。

图6 . ( a ) BCC - LWHEA的伪二元图；( b ) TTT图示意图。

在本文中，我们研究了Al含量和热处理对非等原子TiZrVNbAl BCC-LHEAs中B2-CON形貌和力学性能的影响。可以得出以下结论。

通过调整Al元素含量，得到了含量为~ 28%的分散B2-CON，进一步低温时效处理(400°C-2h)可使分散B2-CON含量提高到~ 65%，避免脆性相的析出。

在A12.5 BCC- lhea中，B2-CON与BCC基体之间的晶格失配低至~ 0.17%，这有利于B2-CON在高含量~ 65%时的分散分布。

高含量(~ 65%)分散分布的B2-CON显著提高了强度(~ 433 MPa，占总屈服强度1072 MPa的~ 41%)，并保证了可观的延展性(~ 16%)。