北理工團隊在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中熵合金研究中取得重要進展
發(fā)布日期：2023-12-18 供稿：材料學院 郭世康 攝影：材料學院
編輯：牟雪嬌 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
2023年11月，北京理工大學材料學院馬兆龍、程興旺課題組近日在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中熵合金研究中取得重要進展。相關(guān)研究成果以“Pursuing ultrastrong and ductile medium entropy alloys via architecting nanoprecipitates-enhanced hierarchical heterostructure”為題在國際知名期刊《Acta Materialia》上發(fā)表。博士生郭世康為第一作者，北京理工大學材料學院馬兆龍教授，程興旺教授為論文共同通訊作者，北京理工大學為第一單位。
納米沉淀相強化的中/高熵合金（M/HEAs）具有優(yōu)異的力學性能，有潛力作為新型結(jié)構(gòu)材料投以應用。然而，進一步增強這些材料通常依賴于增加納米沉淀相的體積分數(shù)或者引入更硬的金屬間化合物，這不可避免地會犧牲材料延展性。
為了使合金達到更優(yōu)異的強塑性匹配，課題組提出了一種策略，通過在Co30Cr20Ni40V5Ta5新型中熵合金中構(gòu)建多重異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在有效提高合金強度的同時保持優(yōu)異的塑性。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)包含了高體積分數(shù)的D022-γ”納米沉淀物、可剪切和不可剪切的金屬間化合物，以及具有異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)的低層錯能（SFE）基體。變形過程中，多種組織帶來的協(xié)同強化機制，有效的提高了合金的應變硬化能力，實現(xiàn)了1323 MPa/1690 MPa的屈服/極限拉伸強度和29 %的拉伸伸長率的優(yōu)異力學性能。這項研究為通過控制多尺度微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性來設計超強韌性金屬材料提供了范例。如圖1所示。為了進一步分析納米析出相和異質(zhì)結(jié)構(gòu)帶來的協(xié)同強化效果，文中將包含不同組織的Co30Cr20Ni40V5Ta5合金進行對比分析，包括單相合金（SP）、納米沉淀相強化合金（NP）、金屬間化合物+異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)合金（IHG）和納米沉淀物+金屬間化合物+異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)合金（NPIHG），合金的力學性能和相應組織如圖1所示。
圖1 合金的力學性能以及相應的微觀組織結(jié)構(gòu)
為了進一步對比合金不同組織的協(xié)同強化作用，分別對不同組織的Co30Cr20Ni40V5Ta5合金做循環(huán)加載試驗計算變形過程中合金的非均勻變形誘導應力，結(jié)果如圖2所示，包含有多重異質(zhì)結(jié)構(gòu)的NPIHG合金的非均勻變形誘導應力明顯高于SP、NP和IHG合金。
圖2 合金的非均勻變形誘導應力（hetero-deformation induced (HDI) stress） （a） SP、NP、IHG和NPIHG的加載-卸載-再加載（LUR）循環(huán)拉伸真實應力-應變曲線;（b）圖（a）中陰影區(qū)域中典型磁滯回線的放大圖;（c）SP、NP、IHG和NPIHG合金的HDI應力（σHDI）。（d）合金中HDI應力與流變應力之比（σHDI/σflow）的比較。
圖3對比了所研究合金與已報道的具有不同組織結(jié)構(gòu)的中/高熵合金的力學性能。盡管NPIHG合金的強度低于一些已報道的合金（UTS>2GPa），但由于多重異質(zhì)結(jié)構(gòu)有效增強了NPIHG合金的加工硬化能力，NPIHG合金表現(xiàn)出目前已報到最優(yōu)的強塑性匹配。合金優(yōu)異的塑性來源于變形過程中不同組織間的協(xié)同強化機制，即來自FCC基體的固溶強化，D022-γ''納米沉淀相的共格強化和有序強化，D024-η粒子的Orowan強化（位錯繞過），D019-ε相的位錯切過強化，以及異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)的HDI強化。
圖3 合金與其他具有典型微觀組織結(jié)構(gòu)的中/高熵合金的室溫力學性能的比較。（a） 總伸長率與屈服強度（YS）的關(guān)系和（b）總伸長率與極限抗拉強度（UTS）的關(guān)系。
綜上所示，馬兆龍、程興旺課題組設計了含有多重異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Co30Cr20Ni40V5Ta5新型高性能中熵合金，實現(xiàn)了1323MPa/1690MPa的屈服/極限拉伸強度和29%的拉伸延展性的優(yōu)異強度-延展性組合。文章提出的設計具有多尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)和變形亞結(jié)構(gòu)激活能力的微觀結(jié)構(gòu)的方法可以廣泛應用于許多其他金屬材料，包括先進鋼材、高溫合金和中/高熵合金.
全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119492
該研究課題得到了國家自然科學基金項目（51804032、52275309、52331006）、北京理工大學創(chuàng)新人才科技資助專項計劃（2019CX01018）的支持。
附作者介紹：
程興旺，國家級學術(shù)領(lǐng)軍人才，卓越青年基金首批獲得者。現(xiàn)任北京理工大學材料學院黨委書記，沖擊環(huán)境材料技術(shù)國家級重點實驗室主任。擔任國家產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)專家委員會委員，教育部高等學校材料類專業(yè)教學指導委員會委員，快速支持機制責任專家，科工局金屬材料專業(yè)組成員、標技委委員，科技部國家重點研發(fā)計劃“十四五”材料領(lǐng)域重點專項實施方案編制專家組成員，中國材料研究學會材料基因組分委會委員，中國兵工學會材料科學與技術(shù)專委會委員。長期從事材料動態(tài)力學行為和微結(jié)構(gòu)演化機制等研究工作。獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項，省部級科技進步一等獎1項、二等獎1項，省部級技術(shù)發(fā)明一等獎1項、二等獎1項，省部級科技創(chuàng)新團隊獎1項。發(fā)表學術(shù)論文200余篇、授權(quán)發(fā)明專利40余項，參編專著2部、主編教材1本。
馬兆龍，國家級青年人才計劃入選者，歐盟瑪麗居里學者，曾獲MIT-Imperial Global Fellow、Imperial-CSC獎學金、ICEPT最佳論文獎等獎勵?！疤魬?zhàn)杯”全國一等獎指導教師。主要從事高熵合金、焊料合金、金屬材料凝固與異質(zhì)形核；新型金屬材料微觀結(jié)構(gòu)與性能表征；EBSD技術(shù)拓展與應用等方面的研究。以第一作者在Nat. Commun.、Acta Mater.、Scripta Mater等期刊發(fā)表論文三十余篇。主持自然科學基金、共用技術(shù)、領(lǐng)域基金等國家級科研項目多項。Nat. Commun.、Acta Mater、Scripta Mater、J. Alloy Compd.等期刊審稿人。授權(quán)國際專利1項，中國專利8項。
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