关键词： 高熵合金   异质结构   变形机制   强韧化机理  

摘要： 设计出兼具高强度与高塑性的先进金属材料一直是材料领域的永恒研究目标。本文选取CoCrFeNi基面心立方高熵合金作为研究对象,添加原子半径较大的V元素,增大合金的晶格畸变,并通过冷轧加两步退火的热机械工艺在合金中引入晶粒尺寸异质结构,提升合金的强韧性。研究结果表明,这种设计极大地提升了合金的强度,其屈服强度和抗拉极限分别达到了1059 MPa和1506 MPa的高应力水平,同时均匀延伸率还维持在21.7%的较高水平。其高的均匀延伸率得益于塑性变形过程中顺序激活了位错、变形孪晶、Lomer-Cottrell锁与层错网的塑性变形机制,有效地提高了合金的加工硬化能力,避免了局部应力集中导致的塑性失稳,从而实现合金的强韧化。

关键词： 中高熵合金   异质结构   塑性变形   力学性能   强韧化机理  

摘要： 不同于传统合金,中高熵合金的多主元元素设计使其展示出了独特的结构特征,并表现出中高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应.因此,中高熵合金展示了优异的力学性能,如超高的强度、良好的延展性、突出的耐磨性、抗腐蚀性.然而,中高熵合金依然面临着与传统金属和合金材料同样的强度-延展性相互制约的挑战.通过对中高熵合金的元素成分比例和加工工艺进行设计与调控,其内部能够形成稳定的跨尺度的异质结构,包括原子尺度的局域化学有序、纳米尺度的析出相、亚微米尺度的第二相或晶内缺陷(如纳米孪晶、位错等)以及微米尺度的多模晶粒尺寸.这些通过精心设计的加工工艺引入的、或是在塑性变形过程形成的跨尺度的异质结构能够显著影响材料的塑性变形机制.跨尺度的异质结构能够在阻碍位错运动的同时提高加工硬化能力,从而提高材料强度,并改善材料的延展性.因此,异构设计有助于实现中高熵合金强度与延展性的协同提升.本文对近年来关于中高熵合金的不同尺度的异构设计工作进行了总结评述,同时揭示了不同异构中高熵合金所对应的强韧化机理,最后总结了中高熵合金中异质结构与变形机制和力学性能之间的关系,并对今后研究的重点和方向进行了展望.

关键词： 双相高熵合金   超声技术   微观结构   力学性能  

摘要： 近年来,在开发高性能金属结构材料的过程中,一个重大的理论突破是多主元合金概念的提出,即所谓的高熵合金。多组元合金拥有独特的成分组成和微观结构,因此具有高强度、高硬度、高延展性、优异的耐腐蚀和良好热稳定性等优异性能,具有广泛的应用前景。双相高熵合金因其具有良好的综合性能而受到了广泛的研究,为了进一步提升双相高熵合金的力学性能,目前所使用的轧制、退火等方法是应用最为广泛的强化手段。然而,上述传统方法效率低,且难以实现高熵合金强度和塑性的协同提升。超声辅助成形技术因具有高能量、低能耗且生产效率高等特点,有望成为难变形材料最有效的加工途径。本文采用超声辅助成形技术,对双相高熵合金进行加工并结合X射线衍射仪（X-ray diffractometer,XRD）、扫描电子显微镜（Scanning electron microscope,SEM）、背散射电子衍射（Electron backscattering diffraction,EBSD）和透射电子显微镜（Transmission electron microscope,TEM）、力学性能测试等表征手段,系统的研究了该技术对双相高熵合金:AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金和Fe50Mn30Co10Cr10亚稳态高熵合金的微结构演变以及力学性能的影响。主要研究内容及结果如下: （1）针对目前应用广泛的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金,对其施加不同加载时间（10 min、20 min、30 min）,且频率为20 kHz,振幅为20μm,压应力为350 MPa（约60%屈服强度）的超声振动辅助加载。经研究表明,超声振动辅助加载20 min后,该合金的极限抗拉强度和总伸长率分别达到1050 MPa和27.4%,相比原始状态（900 MPa和17.8%）分别提高了17%和54%,实现了强度和塑性的协同提升。随后对超声振动辅助加载后AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的微结构进行分析,研究发现,超声振动辅助加载能够诱导尺寸为1μm的BCC（B2）相的析出,该析出强化作用是合金抗拉强度提升的主要原因。而软相FCC（L12）与硬相BCC（B2）的协同变形以及超声加载激发的多重滑移体系提升了应变硬化效应,从而实现了强度和塑性协同提升。该研究为制备高性能共晶高熵合金提供了一种节能高效的新方法。 （2）选用典型的Fe50Mn30Co10Cr10亚稳态高熵合金,并对其施加不同加载时间（10 min、20 min、30 min）,且频率为20 kHz,振幅为20μm,压应力为241 MPa（约60%屈服强度）的超声振动辅助加载。实验研究发现,在超声振动辅助加载30 min后,该合金在几乎不损失塑性的情况下,屈服强度达到了573 MPa,相比原始态（402 MPa）提高了42.6%。超声加载诱导了Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金内大量孪晶的产生是屈服强度增加的主要原因,这些孪晶在晶界或晶内形成位错屏障,能够有效阻碍位错滑移和晶界变形,从而提高亚稳态高熵合金的屈服强度。此外,超声振动辅助加载促进HCP相生成以及位错密度的增加,也对合金强度的增强起到了一定程度的贡献。上述研究为调控亚稳态高熵合金的微结构进而获得优异力学性能提供了可以实现的新途径。

关键词： 轻质高熵合金   快速凝固法   B2相   力学性能   强化机制  

摘要： 长期以来,对高强度和高延展性金属材料的追求一直是材料科学研究的前沿。由Al、Ti、Zr、Nb和V等元素组成的体心立方（BCC）结构轻质高熵合金因其优异的机械性能而备受关注。然而,单相BCC结构合金材料虽然具有优异的强度但因滑移系的缺乏,其延展性常显不足。众多研究发现,通过调控元素含量及改进制备工艺,可有效诱导有序的B2相生成,进而改变体系中位错的滑移模式,从而优化合金材料的延展性。这一发现为提升轻质高熵合金的综合性能开辟了新的途径。鉴于此,本文以AlNbZrTiV高熵合金体系为研究对象,通过采用快速凝固法和电弧熔炼法研究了不同凝固温度和元素含量的改变对体系中B2相的变化对合金力学性能的影响,揭示了有序相对材料强度和延展性的强化机制,具体研究内容如下: （1）采用快速凝固法通过对浇铸模具温度和凝固速率的调控制备了四种轻质高熵合金Al0.75Nb Zr1.5Ti3V（理论密度为5.49 g/cm3）,实现了对合金微结构的优化。实验结果显示,在恒温槽温度设定为-10°C的条件下制备的合金,其B2相的体积分数显著提升至26.61%,相较于25°C浇铸样品的1.82%有了大幅提升。同时,B2相的形态也发生了明显变化,由25°C浇铸时的针状转变为网状结构。这种有序的B2相的增加不仅产生了密度更高的位错带,还激活了更多的交叉滑移,从而有效提升了合金的力学性能。在-10°C下制备的合金展现出了优异的综合力学性能,其总伸长率达到18.2%,屈服强度高达1218.9 MPa,相较于25°C条件下浇铸的合金,总伸长率提升了45.6%,实现了强度与塑性的协同增强。 （2）鉴于上述研究中B2相为富Zr相,本课题进一步探索了Zr含量对合金微观结构及力学性能的影响。通过采用电弧熔炼法的浇铸系统,制备了四种不同Zr含量的合金材料,即Al0.75Nb ZrxTi3V（x=0.25、0.5、1和1.5）。本实验借助TEM的表征分析,发现Zr含量的变化对合金中B2相的含量具有显著影响。具体来说,在Zr含量为0.25、0.5和1的合金中,B2相的体积分数分别为18.77%、15.49%和24.56%,这些值均高于Zr含量为1.5的合金（1.51%）。值得注意的是,在Zr1和Zr1.5合金中,B2相的体积分数差异尤为显著。Zr含量的改变不仅通过固溶强化机制显著提升了合金的屈服强度,而且促进了有序B2相的形成。B2相的增加导致了滑移带密度的提高,有助于在合金变形过程中更均匀地分布应力,从而延缓应力集中的发生,进而显著改善了合金的塑性。在研究的四种合金中,Al0.75Nb Zr Ti3V合金展现出了尤为优异的综合力学性能。其总伸长率高达25.0%,相较于Zr含量为1.5的合金的12.5%有了近百分之百的提升。同时,该合金还保持着1118.3MPa的高屈服强度。这一研究不仅深化了我们对有序相含量影响高熵合金性能的理解,也为未来设计和优化高性能轻质高熵合金提供了指导。

关键词： 高熵合金   微纳结构   粉末冶金   组织调控   强韧化  

摘要： 针对CoCrFeNi基高熵合金强塑性失配问题,提出了基于高能球磨、放电等离子体烧结和热挤压相结合的粉末冶金制备方法,探究了制备工艺参数对晶粒尺寸、第二相颗粒和孪晶组织演变的影响规律,分别制备出由粗晶、细晶和纳米颗粒构成的多尺度异构CoCrFeNiMnTi_(0.2)高熵合金,以及包含超细晶、纳米颗粒和纳米孪晶的CoCrFeNiMnTi_(0.2)高熵合金。拉伸力学性能显示,两种高熵合金屈服强度和断后伸长率分别高达1298 MPa和13%,以及1507MPa和7%,均实现了较好的强塑性均衡。最后,基于对霍尔佩奇系数修订,建立了纳米颗粒增强超细晶CoCrFeNi基高熵合金强化模型,揭示了纳米颗粒与微纳异构组织耦合强韧化机制,以及超细晶、纳米颗粒与纳米孪晶协同强韧化机理,并进一步发现纳米孪晶能够增加高熵合金流变应力,使新的变形孪晶形核,从而诱发多级变形行为。

关键词： 高熵合金   低温性能   变形机理   强韧化策略  

摘要： 高熵合金是由多种主要元素组成的新型金属材料,固有的多主元和构型熵高等特点,使其具备诸多优异的力学及物理化学性能,从而引起了研究人员的广泛关注。在低温工程应用方面,高熵合金优异的强塑性、良好的韧性和抗冲击能力、较高的相稳定性等特点使其在深空探测、低温超导、气体工业等领域极具应用前景。本文综述了高熵合金的低温研究进展,详细总结了高熵合金在低温环境的变形机制及强韧化机理,并结合传统低温工程材料的性能对比,展望了高熵合金未来低温工程应用的主要方向。

关键词： 选区激光熔化   高熵合金   均匀化热处理   纳米TiN颗粒   强化机理  

摘要： 高熵合金（HEA）是一种新型的金属材料,由于多种主元混合组成,通常形成单相固溶体结构,因此具备很多杰出的性能,例如较高的抗高温软化性、优异的低温韧性以及良好的耐蚀性等等。当前,高熵合金的主要制备方法为传统的熔炼铸造,熔铸过程由于冷却速度慢,存在晶粒粗大和成分偏聚等问题,需要配合繁琐的热处理和轧制工艺才能达到工程应用要求。选区激光熔化（SLM）是一种典型的金属增材制造工艺,它是根据三维零部件数字模型,采用材料逐层堆积的方法制备出零件。SLM不仅极大缩短了金属零件的制造流程,极快的冷却速率还可得到细晶组织,复杂的循环热效应还会引入大量位错,大幅改善了高熵合金的综合力学性能。 因此,本文采用SLM制备了（FeCoNi）86Al7Ti7高熵合金,通过均匀化热处理工艺,减缓了Ti原子在位错胞边界的偏聚。研究了均匀化热处理对高熵合金组织微观结构和力学性能的影响,并解释了其内在塑性提升的原因。此外,引入纳米TiN颗粒对原始高熵合金粉末进行改性,重点探究了外加不同含量TiN对SLM成形TiN/（FeCoNi）86Al7Ti7复合材料内部增强相的演变以及强化机理。本论文得出的主要结论如下: （1）对SLM成形（FeCoNi）86Al7Ti7高熵合金进1150℃-0.5 h的均匀化热处理,结果显示,均匀化能显著提高该高熵合金的延展性。在均匀化后,晶粒内部的位错胞几乎完全消失;晶粒从37μm长大到54μm,发生再结晶。与初始打印态相比,均匀化的高熵合金塑性从29%增加到40%,屈服强度少量降低,从710 MPa降到606 MPa。 （2）后续780℃-1 h时效处理,预均匀化的高熵合金可以减少有序L21相的析出。通过理论分析,因为微裂纹优先在非共格界面析出,预均匀化减少了这种薄弱界面,所以可以显著提高该高熵合金的塑性变形能力,增幅达36%。通过强化机理发现,纳米尺度的共格析出L12相贡献了最大的强化效果。 （3）对SLM成形TiN/（FeCoNi）86Al7Ti7复合材料进行分析,添加纳米TiN颗粒后,晶粒细化效果显著。3%TiN的屈服强度达955 MPa,远高于未改性的高熵合金（710 MPa）,增幅达到35%;5%TiN的屈服强度为905 MPa,增幅为27%。理论分析得知,添加TiN对强度的主要作用是晶粒的细化和对基体的固溶强化。另外,外加TiN还会促使基体在SLM印后直接析出非共格L21相。随着TiN含量增加,非共格析出相的尺寸、占比都增大,微裂纹更容易在非共格界面出现,因此复合材料的塑性变形能力都较差。 （4）后续对复合材料进行时效处理,强度得到进一步提高。A-3%TiN的屈服强度增加到1337 MPa,增幅达到40%;A-5%TiN的屈服强度增加到1335 MPa,增幅达到48%。与未添加TiN直接时效的高熵合金DA（1186 MPa）相比,增幅都为13%。强度提升的主要因素也是由于L12相的析出。

关键词： 高熵合金   相变   提纯机制   氧化物弥散强化   力学性能  

摘要： 随着社会的发展和科学技术的日新月异,对材料性能的应用要求也越来越苛刻,基于一种或两种元素来作为主要成分并加入少量其他微量元素来増强性能的传统合金设计思路已难以满足生产和生活应用的新需求。通过改变合金主元数目来突破这种传统合金设计理念,制备得到新型合金,获得高性能合金材料已经是一种必然趋势。高熵合金（High entropy alloys,HEAs）是由多种基本元素以等原子或近等原子形式组成的多组分合金,由于其具有高的构型熵,低的混合焓,往往倾向于形成具有简单的FCC、BCC或者HCP单相固溶体结构,而不是金属间化合物,同时伴随着结构上的晶格畸变效应,性能上的鸡尾酒效应,动力学上的迟滞扩散效应及热力学上的高熵效应等四大效应。独特的结构特点和多种主元的协同作用使其表现出良好的高温强度、良好的耐磨性、高加工硬化、耐高温氧化、耐腐蚀等多种优良性能而备受研究者们的广泛关注和大量研究。CrMnFeCoNi合金作为典型FCC结构的高熵合金,因其表现出良好的高温下的结构稳定性,常温下优异的断裂韧性而备受关注。特别是在极端温度环境条件下,CrMnFeCoNi高熵合金由于大量纳米孪晶的出现表现出强度和塑性随温度的降低而同时提高。此外,CrMnFeCoNi高熵合金展现出比传统晶体材料更为优异的抗辐照性能,有望成为新一代核聚变堆、航空航天等领域的应用结构材料。然而,常温和高温下的低强度严重限制了其实际应用和技术发展。本论文针对以上问题提出不同的设计策略,并对其强韧化机制进行了系统的研究。主要的研究内容和结论如下: 1.采用参数计算法对往CrMnFeCoNi高熵合金基体中分别添加Cr,Mn,Fe,Co和Ni各元素后的合金体系的价电子浓度（Valence Electron Concentration,VEC）和混合焓(Mixing Enthalpy,ΔHmix)进行计算,通过VEC和ΔHmix的计算结果对（CrMnFeCoNi）100-xMx（M=Cr,Mn,Fe,Co和Ni）系高熵合金的相组成和固溶体形成情况进行初步预测,选择合适的参数配比并设计合金成分。与其它成分相比,（CrMnFeCoNi）100-xFex（x=10at.%,20at.%,30at.%,40at.%,50at.%和60at.%）高熵合金具有稳定的VEC和最低的ΔHmix。然后运用激光熔化沉积（Laser melting deposition,LMD）技术制备了（CrMnFeCoNi）100-xFex（x=10at.%,20at.%,30at.%,40at.%,50at.%和60at.%）高熵合金,研究了Fe元素的添加对合金相转变,微观组织及力学性能的影响。结果表明,随着Fe元素的添加,可以有效降低基体中相的稳定性,使合金基体中的相逐渐从面心立方（Face centered cubic,FCC）向体心立方（Body centered cubic,BCC）发生相转变;与此同时,（CrMnFeCoNi）100-xFex（x=50at.%,55at.%和60at.%）的熔化温度也随着Fe元素含量的增加而提高;在1500K温度环境下的DSC测试中,与CrMnFeCoNi,（CrMnFeCoNi）50Fe50和（CrMnFeCoNi）40Fe60这三种高熵合金相比,（CrMnFeCoNi）45Fe55在860K附近出现了一个明显的相变峰,说明在1500K温度环境下此种类型合金的热稳定性较差。常温下,（CrMnFeCoNi）45Fe55和（CrMnFeCoNi）40Fe60的拉伸曲线都出现了双屈服现象,此现象的出现主要是由于发生变形诱导相转变促使合金在塑性变形过程中发生二次屈服所引起的。（CrMnFeCoNi）100-xFex（x=50 at.%,55 at.%和60 at.%）系高熵合金的拉伸强度和断裂延伸率都获得同时的提高,主要归因于Fe元素的添加降低了基体中FCC的稳定性使其成为亚稳相,促进了FCC相向BCC相的转变和TRIP效应的出现。有趣的是,（CrMnFeCoNi）45Fe55在液氮下浸泡0.5h和1h的样品,发生了温度诱导基体FCC相向BCC相发生转变,低温诱导相转变的发生使合金的综合力学性能获得显著的提高。 2.基于前面添加Fe元素的研究结果的基础上,先采用参数计算法对往CrMnFeCoNi高熵合金基体中分别添加Fe Cr,Fe Mn,Fe Co和Fe Ni各元素后的合金体系的价电子浓度（Valence Electron Concentration,VEC）和混合焓(Mixing Enthalpy,ΔHmix)进行计算,通过VEC和ΔHmix的计算结果对（CrMnFeCoNi）50Fe50-xMx（M=Cr,Mn,Co和Ni）系高熵合金的相组成和固溶体形成情况进行初步预测,选