供稿人：吕学军

论文题目：A novel corrosion resistant NiFeCrAlTi eutectic high entropy alloy with high strength and ductility

论文作者：Chenyu Zhai¹, Zhimin Yang¹, Shilin Feng, Yongfu Cai*, Zhenhua Han, Hongyan Wang, Chen Chen, Tan Wang, Shaojie Wu, Haimei Li, Ran Wei* 

Journal：Materials Characterization

DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.114479

注释：翟晨宇（本科生）与杨智敏（研究生）共同一作

【研究背景】

高/中熵合金（H/MEAs）因其出色的强度和延展性以及卓越的耐腐蚀性和耐磨性而受到广泛关注。据报道，大多数H/MEA为单相固溶体，结构为面心立方（FCC）和体心立方（BCC）相。一般来说，面心立方的H/MEAs具有较高的延性，但强度有限，而体心立方的H/MEAs具有足够的强度，但延性有限，从而难以实现优异的强度-延展性协同作用。因此，研究人员通常开发FCC+BCC双相H/MEAs来克服强度-延展性难题。此外，H/MEAs较差的铸造性能也限制了其工业应用。

本研究的目的是开发一种具有优异机械性能和耐腐蚀性的共晶高熵合金（EHEA）。因此，选择AlCrFe_1.5Ni_2.6合金作为研究对象，因为它成本低廉。通过用钛代替铝，设计了一种新的Ni_42.6Fe_24.6Cr_16.4A1₁₃4Ti₃ 共晶高熵合金。新设计的EHEA具有由FCC(L1₂)和BCC(L2₁)组成的双相结构，显示出优异的强度和延展性，超过了其他先进铸态EHEA。此外，与AlCrFe_1.5Ni_2.6 共晶高熵合金相比,Ni_42.6Fe_24.6Cr_16.4A1₁₃4Ti₃合金的耐腐蚀性得到了进一步增强。对Ni_42.6Fe_24.6Cr_16.4A1₁₃4Ti₃的微观结构、变形机制和腐蚀行为进行了系统研究。

【成果速览】

本研究是通过在氩气气氛下对高纯度金属利用电弧熔炼成功设计并制备出的一种新型耐腐蚀的Ni_42.6Fe_24.6Cr_16.4A1₁₃4Ti₃共晶高熵合金。采用SUNS 5105试验机进行单向拉伸试验，对其力学性能进行了表征。采用XRD、EBSD、TEM、EDS对试样的微观结构进行了表征，采用电化学测试对其腐蚀性能进行了表征。

结果表明:本研究所设计的铸态Ni_42.6Fe_24.6Cr_16.4A1₁₃4Ti₃共晶高熵合是由FCC和BCC相组成的双相微观结构。面心立方相呈现出枝晶生长，而体心立方相分布在枝晶间区域。FCC相的面积分数约为74.6%，BCC相的面积分数为25.4%，BCC相分散在FCC基体中，FCC和BCC相中分别存在有序的L1₂和L2₁相。与AlCrFe_1.5Ni_2.6 共晶高熵合金相比，Ni_42.6Fe_24.6Cr_16.4A1₁₃4Ti₃共晶高熵合具有优异的机械性能，钛的加入使BCC相变得更加复杂，导致L2₁相的形成，从而增强了其强化能力。而且钛的加入提高了合金整体的耐蚀性。总之，向EHEA 中添加少量的钛既提高了其耐腐蚀性，又改善了机械性能，使Ni_42.6Fe_24.6Cr_16.4A1₁₃4Ti₃共晶高熵合在实际应用中具有广阔的前景。

【数据概括】

图 1（a）铸态Ni_42.6Fe_24.6Cr_16.4A1₁₃4Ti₃合金的X射线衍射图谱；（b）扫描电子显微镜（SEM）图像；（c）电子背散射衍射（EBSD）相图；（d）反极图；（e）面心立方（FCC）和体心立方（BCC）相的{110}和{111}极图；（f）核心平均失配（KAM）图

图 2（a）铸态AlCrFe_1.5Ni_2.6合金的X射线衍射图谱；（b）扫描电子显微镜图像；（c）电子背散射衍射相图；（d）反极图；（e）面心立方（FCC）和体心 立方（BCC）相的{110}和{111}极图；（f）KAM 图

图 3铸态Ni_42.6Fe_24.6Cr_16.4A1₁₃4Ti₃的透射电子显微镜（TEM）分析：（a）透射电子显微镜图像及相应的能谱（EDS）图；（b、c）在红 色矩形区域上具有超晶格点的选区电子衍射（SAED）图谱，分别显示有序的 L2₁ 和 L1₂ 相；（d）红色虚线矩形区域的逆快速傅里叶变换（IFFT） 图像以及沿[001]区轴的析出相（L2₁）和基体（体心立方，BCC）的相应快速傅里叶变换（FFT）图像；（e）和（f）分别是体心立方（L2₁）和 面心立方（L1₂）相的高分辨率透射电子显微镜图像和元素图。

图 4（a）铸态的AlCrFe_1.5Ni_2.6等温挤压铝合金的透射电子显微镜（TEM）图像以及 相应的BCC(L2₁)和FCC(L1₂)相的选区电子衍射（SAED）图谱和元素分布图。（b）高倍放大的透射电子显微镜图像以及相应的元素分布图。

图 5（a）在室温下测量Ni_42.6Fe_24.6Cr_16.4A1₁₃4Ti₃和AlCrFe_1.5Ni_2.6的工程拉伸应力-应变曲线；（b、c）铸态EHEAs的极限抗拉强度（UTS）和屈服强度（YS）伸长率图

图 6镍基高温合金Ni_42.6Fe_24.6Cr_16.4A1₁₃4Ti₃断裂后的扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）图像。（a）断裂表面形貌；（b）EBSD 相图；（c）面心立方（FCC）和体心立方（BCC）相的{110}和{111}极图；（d）KAM 图

图 7镍基高温合金Ni_42.6Fe_24.6Cr_16.4A1₁₃4Ti₃断裂后的透射电子显微镜（TEM）图像。（a）包含两相区域的变形形态；（b）面心立方（FCC）相区域的位错堆积。（c）放大后的透射电子显微镜图像，显示体心立方（BCC）相中纳米析出相处的位错堆积。（d）界面区域的位错堆积。

图 8（a）Ni_42.6Fe_24.6Cr_16.4A1₁₃4Ti₃等温热模拟的加载-卸载-再加载（LUR）真应力-应变曲线。（b）背应力与流动应力的比值-真应变曲线。

图 9（a）Polarization curves of as–cast Ni_42.6Fe_24.6Cr_16.4A1₁₃4Ti₃ and AlCrFe_1.5Ni_2.6EHEAS；（b）Nyqusit plots；（c）Bode plots

【结论展望】

本研究成功制备出一种新型耐腐蚀的Ni_42.6Fe_24.6Cr_16.4A1₁₃4Ti₃ 共晶高熵合金，所设计的EHEA由约74.6%的FCC(L1₂)相和约25.4%的BCC(L2₁)相组成，其中BCC相中纳米沉淀物的大小约为80纳米，FCC相中约为10纳米。

1）与大多数铸态EHEA相比，EHEA表现出优异的机械性能，屈服强度为730MPa，极限抗拉强度为1220 MPa，室温下伸长率为25%。铸态EHEA的优异强度-延展性协同作用可归因于两个因素:首先，纳米沉淀物阻碍了位错运动，并有助于沉淀强化;其次，异相界面作为位错运动的屏障，导致界面处产生大量界面位错，从而产生异相变形诱导(HDI)强化。此外，相邻相之间的K-S关系促进了组成相的协同变形，防止了它们界面处的裂纹，并增强了EHEA的延展性。

2）EHEA还具有优异的耐腐蚀性，为其应用提供了广阔的前景。