西安交大：延伸率进步86%以上！硼元素助力高熵合金功能提拔

导读：析出强化作为一种有用的强化机制被遍及应用于高熵合金中。然而，高析出强化的高熵合金通常体现出严峻的脆性。怎样有用地实现超高强度并连结可靠的延展性一向是一个困难。本文初次报道掺杂少少量硼以到达这一目的。因为硼可以低落晶界的能量，在高Ti和Al含量的FCC FeCoNiCr高熵合金参加30 ppm的硼后,可以明显转变质料初始的微观布局,进而改进机器性能,硼的参加可以消除Heusler析出相-基体界面形成的微空洞，按捺粗BCC Heusler析出相的形成和偏析，促进L12纳米粒子的形成。这一微观布局的转变将拉伸延展性进步了约86%以上，并连结了相称乃至更好的极限抗拉强度。

高熵合金(HEAs)作为一种新兴的金属质料，因其奇特而吸惹人的性能，格外是在室和气低温下的力学相应得到了遍及的研究。格外是这些面心立方(FCC)单相HEAs(如FeCoCrMnNi)体现出优秀的断裂韧性和拉伸延展性，引起了遍及的存眷。然而，因为它们在室温下的屈服强度较低，通常小于300MPa，不克不及直接用于布局应用。

是以，很多传统的强化计谋被用来强化这些FCC HEAs，如固溶强化、位错硬化、晶界硬化和析出强化。析出强化是面心HEA基体中形成二次沉淀的最有用要领之一。采纳L12型、B2型、Heusler型、σ型或μ型等金属间化合物作为FCC高温合金的强化相，使其室温强度和延性得到很好的联合。然而，现在这些事情仅仅会合在调解块体身分以到达预期的强度，但很少有事情是利用微量掺杂剂(如硼)来调解微观构造以到达最佳的强度和延展性均衡。

基于此，西安交通大学金属质料强度国度重点试验室江峰传授团队和南理工互助通过向（FeCoNiCr）88Ti6Al（at. ％）HEA中添加了30 ppm的硼，该HEA包罗两种范例的金属间化合物（基于BCC的（Ni，Co）2TiAl Heusler和L12型FCC基（Ni，Co）3TiAl））作为强化相，并具有超高强度，但延展性差。因为添加了硼，促进了β型沉淀，与无硼HEA相比，延展性得到了明显改进。这项研究结果可以应用于其他HEA，以实现预期的高强度并幸免通常的延展性降落。相干研究结果以题“Enhancement of strength-ductility balance of heavy Ti and Al alloyed FeCoNiCr high-entropy alloys via boron doping”颁发在国内顶级质料期刊Journal of Materials Science & Technology上。

论文链接：http://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.023

极低浓度的硼(30ppm)对原有构造的转变起偏重要作用，重要体现在三个方面:消除Heusler析出相与基体之间形成的微腔，按捺粗大Heusler析出相的形成和偏析，促进L12型纳米析出相的形成。这些微观布局的改变明显改进了Ti6Al6 HEA的力学相应，使其延展性进步了86%以上，并连结了相称乃至更好的强度。

图1 (a) Ti3Al3、Ti6Al6和Ti6Al-30B高熵合金的力学相应比力。(b)与其他FeCoNiCr基的HEAs相比，Ti6Al6和Ti6Al6- 30b的拉伸性能。

图2 (a)三种HEAs (Ti3Al3, Ti6Al6和Ti6Al6-30b)在时效态的XRD谱图。(b)通过相应细化的XRD图谱得到Ti3Al3、Ti6Al6和Ti6Al6- 30b三种HEAs的晶格参数。

图3 (a) HAADF-STEM图像表现Ti6Al6 HEA含有FCC基体、FCC L12型(Ni, Co)3TiAl颗粒和bcc基(Ni, Co)2TiAl Huesler颗粒的三重显微布局。(b) [113]用玄色虚线圈表现(a)中Huesler粒子的BCC微衍射模式。(c) Huesler粒子的典范TEM-EDS光谱和相应的化学构成。(d) [111]FCC从含有FCC L12型(Ni, Co)3TiAl纳米颗粒的基体中选择了地区衍射模式。(e)这些L12型纳米颗粒在基质中的形态。(f)-(k) Ti, Al, Co, Cr, Fe, Ni的定性漫衍。

析出相与位错相互作用的性子对析出强化的HEAs强度和延展性有紧张影响。对付粗Heusler颗粒，它们体现出位错非剪切性子。它们拦阻滑移位错，导致应力/应变会合在颗粒-基体界面，这对强化HEAs大有利益，但简单激发微裂纹孕育发生，对延展性有较大的倒霉影响。相比之下，L12纳米颗粒体现出位错剪切特性，可以在不明显低落塑性的情形下强化HEAs。

图4 TEM效果表现Ti6Al6-30B HEA的三重显微构造中存在差别的相。(a) 来自Ti6Al6-30B HEA的 HAADF-STEM图像。(b)定性硼在(a)中的漫衍。(c) [011]BCC拔取(a)中的Huesler粒子的地区衍射图，用玄色虚线圈表现。(d) Huesler粒子的典范TEM-EDS光谱和相应的化学构成。(e) [111]FCC从含有FCC L12型(Ni, Co)3TiAl纳米颗粒的基体中选择了地区衍射图样。(f)这些L12型纳米颗粒在基质中的形态。

图5 电化学抛光样品差别放大倍数下的典范SEM图像。(a)和(b) Ti3Al3。(c)和(d) Ti6Al6。(e)和(f) Ti6Al6-30B。赤色箭头所示为L12纳米沉淀物;蓝色箭头表现Heusler沉淀物;空洞由黄色虚线圈表现。

图6 对Ti6Al6和Ti6Al6- 30b两种Heusler高熵合金的空腔体积分数和尺寸、L12和Heusler颗粒和基体举行了统计阐发。(a)体积分数数据。(b)巨细的数据。将空腔、L12和Heusler粒子和基体类似处置惩罚为球形。

图7 拉伸应变为3%时Ti6Al6-30B HEA的亮场透射电镜显微图。(a)剪切基体中共格的L12纳米沉淀的位错。(b) (a)对应的EDS图，确定了基体中L12纳米沉淀物的位置，富集Ni, Al和Ti，但是缺少Cr和Fe。(c) Heusler颗粒局部阻断的位错多在晶界处形成，展现了Heusler颗粒的非剪切性子。

图8 使用EBSD技能对Ti6Al6-30B HEA拉伸变形前的晶界举行了表征，展现了该合金中匀称形成的孪晶界的数目。

图9 在Ti6Al6和Ti6Al6- 30b高温合金中，L12和Heusler的析出对屈服强度有奉献。

图10 Ti3Al3、Ti6Al6和Ti6Al6- 30b高温合金的加工硬化相应。

图11 Ti6Al6和Ti6Al6- 30b高温合金的室温拉伸断口。(a)Ti6Al6。(b) Ti6Al6-30B。

图12 影响高析出强化高温合金团体力学性能的微观布局改变表示图。(a)在析出相-基体界面处含有分散析出相和微空洞的有害构造，导致抗拉强度高但延性低。(b)优化后的显微构造，析出相匀称疏散，无微空洞，抗拉强度和延性精良联合。

综上所述，为了同时得到高强度和可靠的延展性，必要认真操纵微孔洞的形成，通过得当的身分设计和得当的热机器工艺形成Heusler和L12析出相，这必定是繁琐和高本钱的。明显，本文采纳微量硼掺杂要领提供了一种简洁、本钱低的可选办理方案。这些发觉为生产具有超高强度、防备不测脆性的高析出强化高温合金提供了一种简洁、低本钱的办理方案