供稿人：李昕雨

论文题目：Breaking strength-plasticity trade-off in heterostructure CrFeNiAl0.28Si0.09Ti0.02Cu0.01 high entropy alloy by heat-treatment-induced nanoprecipitation

论文作者：Guangzeng Zhang（张广增）, Shuai Hu, Zixuan Zhou, Po Li, Zijian Wang, Chuanming Qiao, Shaojie Wu, Ran Wei, Tan Wang, Yongfu Cai*, Shaokang Guan, Fushan Li, Chen Chen*

Journal: Materials Science & Engineering A

DOI：https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.147281

   【研究背景】

高熵合金(High entropy alloys, HEAs)因其独特的相形成原理和材料性能而受到广泛关注，在开发具有特殊用途的先进金属材料方面具有巨大潜力。在过去的十年中，大量的研究致力于优化异质结构诱导HEAs的力学性能。

最近，我们采用简单的铸造技术设计并制备了高性能的CrFeNiAl_0.28Si_0.09Ti_0.02Cu_0.01 HEA，使其在凝固后的冷却过程中通过固态相变形成复杂的面心立方(FCC) +体心立方(BCC) + B2异质结构。这种低成本的铸态无Co HEA由微米级侧板（sideplate）型FCC固溶体和含有~200 nm的B2纳米相的BCC侧板间（inter-sideplate）固溶体组成，它具有超过1.2 GPa的极限抗拉强度和大于20%的塑性。由于其高力学性能、省时节能的制造过程以及可以形成复杂的三维结构，在未来的应用中具有很大的潜力。然而，从铸态HEA的微观结构来看，该合金仍然存在较大体积分数的具有一定亚稳态的固溶相，在适当的热处理下，这些固溶相有分解形成纳米结构的倾向。此外，需要注意的是，纳米析出物的引入是增强微观组织非均质性，打破强度与塑性之间权衡最有效的策略之一。

因此，本研究采用铸造法制备CrFeNiAl_0.28Si_0.09Ti_0.02Cu_0.01 HEA，并在873 K下热处理，引入纳米析出物，选择该温度是因为在此温度下，HEAs中亚稳固溶体可能形成FCC/ BCC型有序相。本文系统地研究了这种加工策略对该HEA组织和力学性能的影响。                                                                                                                                                 【成果速览】

本研究采用热处理方法提高了一种由面心立方(FCC)、体心立方(BCC)和B2相组成的异质结构的铸态CrFeNiAl_0.28Si_0.09Ti_0.02Cu_0.01高熵合金(HEA)的力学性能。

结果表明：经873 K热处理1 h后再进行水淬，铸态HEA的FCC相和BCC相中分别形成了分散良好的L1₂和L2₁纳米相。此外，值得注意的是，尽管位错密度明显降低，但该热处理工艺同时显著提高了屈服强度、极限抗拉强度、塑性和硬度，这可能是由于上述纳米级析出物的形成。这些发现为通过引入复杂的多层次异质性来制备高性能HEAs提供了新的途径。             【数据概况】

                         

图1 铸态试样（AC）和热处理试样（HT）的XRD谱图

图2 (a) AC和(b)低倍率HT试样和(c) AC和(d)高倍率HT试样的背散射电子图像

图3 (a) AC和(b) HT试样的EDS面扫描结果

图4 (a) AC和(b) HT试样的相图;(c) AC和(d) HT试样的IPF图像;(e) AC和(f) HT试样中相邻FCC和BCC相的K-S OR取向关系分布

图5 (a) HT样品的HAADF-STEM图像和对应的(b)-(h) EDS面扫描结果

图6 (a)亮场图像(插图为侧板和侧板间区域的SAED模式)，(b)对应B2相的暗场图像，(c)AC样品侧板暗区和亮区HRTEM图像和相应FFT模式;(d) HT试样及其(e) FCC相(插图为SAED图)的亮场图像，(f) L1₂相对应的暗场图像;(g) BCC相的亮场图像(插图为SAED模式)，(h) L2₁相对应的暗场图像

图7 (a)AC和HT试样的典型拉伸应力-应变曲线;(b) AC和HT试样的极限抗拉强度（UTS），(c) 塑性， (d)屈服强度（YS），(e)维氏硬度

图8 (a)低放大率AC和(b) HT试样和(c)高倍率AC和(d) HT试样的典型断裂表面(插图为蜂窝状结构的详细形貌)

图9 (a) LUR曲线，(b)背应力，(c)背应力/流动应力，(d) AC和HT试样的加工硬化率

图10 (a) AC和(b) HT试样的KAM图;(c) AC和(d) HT试样中BCC相的KAM图;(e) AC和(f) HT试样中FCC相的KAM图;(g) AC和(h) HT试样中FCC相的KAM分布;(i) AC和(j) HT样品中BCC相的KAM分布

图11 断裂后AC和HT试样典型区域的亮场图像:(a) FCC和BCC相区域，(b) (c) FCC区;(d) (e) (f)AC试样中含有BCC和B2相的区域;(g)含FCC相和BCC相的区域，(h) FCC区;(i)含有L1₂纳米沉淀物的区域;(j) (k)含BCC和B2相的区域;(l) HT试样中含有L2₁纳米析出物的区域

【结论展望】

在本研究中，采用热处理的方法进一步提高了由FCC、BCC和B2相组成的非均相铸态CrFeNiAl_0.28Si_0.09Ti_0.02Cu_0.01 HEA的力学性能，为在复杂的显微组织中增强多层非均质性来制备高性能HEA提供了一种创新方法。主要研究结果可总结如下:

(1)经873 K热处理1 h后水淬，铸态HEA的FCC侧板上形成了分散良好、尺寸约为4 nm的L1₂颗粒，而BCC区出现了尺寸约为18 nm的L2₁颗粒，而B2相未出现。

(2)该热处理工艺同时显著提高了屈服强度、极限抗拉强度和塑性，这可能是由于该HEA中纳米析出物的强化作用，以及异质组织和相干纳米析出物增加加工硬化的积极影响。