高熵合金（HEAs）是一種基于熵最大化的新型合金成分設(shè)計(jì)的多組分合金體系。與傳統(tǒng)合金相比，它們具有一系列獨(dú)特的力學(xué)性能。高熵合金（HEAs）代表了傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)概念的突破，在傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)概念中，僅一種或兩種主要元素構(gòu)成基本成分，因?yàn)镠EA包含至少五種相同或接近相等原子比的主要金屬元素。這些合金通常還傾向于形成簡單無序的固溶體結(jié)構(gòu)，例如面心立方（FCC），體心立方（BCC）或六方密堆積結(jié)構(gòu)（HCP）。除了遵循玻爾茲曼關(guān)于熵和合金體系復(fù)雜性之間關(guān)系的假設(shè)的高混合熵之外，這些結(jié)構(gòu)特征還歸因于這種多元素混合物中的大晶格畸變和緩慢擴(kuò)散。最近的研究表明，與傳統(tǒng)合金相比，HEA具有很高的熱穩(wěn)定性，極好的疲勞性，耐磨性和耐腐蝕性，并具有更高的硬度，以及出色的高溫和低溫性能,
在過去的十年中，已經(jīng)付出了巨大的努力來增進(jìn)對鑄態(tài)條件下HEA的微觀結(jié)構(gòu)和性能的理解。HEA的緩慢擴(kuò)散特性促進(jìn)了鑄件缺陷，例如鑄件孔隙率，成分偏析和不均勻的微觀結(jié)構(gòu)。人們期望打破這種鑄造HEA的固有過程。
基于此，北京科技大學(xué)張勇教授團(tuán)隊(duì)采用熱拉法成功制備了直徑為1~3.15 mm，含有Al0.3CoCrFeNi（at.%）的HEA纖維，并利用掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）對其進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)表征。利用TEM中的能量色散x射線光譜和原子探針斷層掃描（APT）測定了纖維內(nèi)部和纖維之間的成分變化。這些分析顯示，鑄態(tài)材料中有均勻的面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，而后處理（如鍛造和拉絲）在FCC基體中產(chǎn)生了納米尺寸的B2顆粒。采用電子背散射衍射（EBSD）法測定了纖維加工后的織構(gòu)和晶界特征的變化。在289K和77K條件下，測定了纖維的抗拉強(qiáng)度和塑性，分別達(dá)到1207MPa /7.8%和1600 MPa/17.5%。詳細(xì)的TEM分析表明，77K時力學(xué)性能的改善(即強(qiáng)度和延性的提高)是由于變形機(jī)制的改變，從位錯的平面滑移到納米孿晶。這些特性可能有利于低溫應(yīng)用。相關(guān)研究成果以High-entropy Al0.3CoCrFeNi alloy fibers with high tensile strength and ductility at ambient and cryogenic temperatures為題發(fā)表在Acta Materialia上。
論文鏈接;https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.10.038
圖1顯示了直徑為1.00-3.15 mm的連續(xù)纖維照片。纖維是圓柱形的并且?guī)缀鯚o瑕疵，這意味著熱拉伸方法是生產(chǎn)高質(zhì)量HEA纖維的有效技術(shù)。圖2示出了經(jīng)過各種加工技術(shù)的Al 0.3 CoCrFeNi合金的X射線衍射圖。確定了主要相，即單一FCC晶體結(jié)構(gòu)。
綜述所述，本文研究了五元Al0.3CoCrFeNi HEA纖維的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。采用熱旋鍛和熱拉工藝制備的HEA纖維主要織構(gòu)為<111>和<100>織構(gòu)。Al和Ni原子之間的強(qiáng)相互作用產(chǎn)生了大約200nm的B2 Al-Ni粒子。在HEA纖維的拉伸試驗(yàn)中，析出的顆粒和細(xì)小的晶粒共同促進(jìn)了纖維的持續(xù)高強(qiáng)度和延展性。特別是直徑為1.00 mm的纖維在298K時表現(xiàn)出了顯著的拉伸強(qiáng)度和延展性，分別為1207 MPa和7.8%，在77K時分別提高到1600 MPa和17.5%。與298K時的平面滑移變形機(jī)制相比，77K時變形后出現(xiàn)了形變誘導(dǎo)的納米孿晶，從而提高了77k時的拉伸強(qiáng)度和延性。HEA纖維在低溫下強(qiáng)度與延性的良好結(jié)合，為未來高性能HEAs工程材料的開發(fā)開辟了一條創(chuàng)新的道路。
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