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                        行業新聞

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                        《Scripta》:不規則形狀析出相和鋸齒晶界,讓高熵合金性能更優!


                        現代民用和工業應用(如飛機燃氣渦輪發動機的葉片,直升機、火箭燃氣輪機)對耐熱金屬材料的需求強烈,高強度、良好的均勻伸長率和800℃以上高溫環境耐受性是研究人員的主要目標。長期以來,鎳基高溫合金一直是這些應用的最佳選擇,現在正在努力提高耐熱能力和蠕變強度,以提高推重比和燃油效率,然而這種進一步的改進現在幾乎達到了瓶頸。最近,高熵合金(HEAs)已成為一類新的結構材料,開發的HEA通常由五種或更多主要元素組成。這種多元素概念提供了一個很大的空間來設計HEAs中的成分-結構-性質-機制相關性以實現所需的機械和化學性能,如高強度、高延展性、高韌性、高比強度等。目前對這些合金的機械性能和變形機制的研究大多集中在不超過800℃的溫度下,很少研究溫度在800℃以上時的性能及變形行為。


                        香港城市大學等單位的研究人員設計了一種新型的析出強化HEA?,服役溫度有望達到1000℃及以上。在MNiHEA中引入了鋸齒狀晶界以消除應變軟化和快速晶間開裂問題。系統地研究了微觀結構、拉伸性能以及相關的變形和斷裂機制。相關論文以題為“Multicomponent Ni-rich high-entropy alloy toughened with irregular-shaped precipitates and serrated grain boundaries”發表在Scripta Materialia。


                        論文鏈接:

                        https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114066



                        本文設計成分為Ni46.23Co23Cr10Fe5Al8.5Ti4W2Mo1C0.15B0.1Zr0.02,設計原則如下:(1)添加Al和Ti以促進高密度L12析出相的形成,提高強度,采用較大含量的Al生成A12O3膜以增強抗氧化性;(2)加入10%的Cr以形成Cr2O3薄膜,進一步改善抗腐蝕性和高溫下的抗氧化性;(3)W和Mo合金化用于基體的固溶強化和促進析出相形核析出;(4)少量C、B和Zr用于晶界強化;(5)相應地調整Ni,Co和Fe的含量以穩定FCC (面心立方)基體。通過熱處理工藝在MNiHEA中引入了鋸齒狀晶界(SEGB),以消除應變軟化和快速晶間開裂問題。


                        研究發現不規則析出相富含Ni、Al和Ti元素,而缺乏Co、Cr和Fe元素,基體中這些元素相反分布。鑒于化學計量具有A3B型結構的L12相,以及元素在多組分L12晶格中的趨勢,析出相為多組分(Ni,Co,Fe,Cr)3(Ti,Al,Cr,W,Mo)L12相。SEGB的形成與相對較大的晶間析出相有關,由于基體和晶界之間的應變能差異以及沿晶粒的快速溶質擴散,析出相/基體界面的邊界優先向晶界快速生長和增粗。平整晶界STG-MNiHEA樣品的析出相通過Ostwald熟化機制而不是彼此聚結而粗化,這種粗化過程導致晶內和晶間析出相呈球狀。



                        圖1 STG-MNiHEA和SEG-MNiHEA的顯微結構



                        圖2 SEG-MNiHEA試樣中不規則析出相的元素分布


                        圖3 STG-MNiHEA和SEG-MNiHEA在室溫(RT)和1000℃下的拉伸性能


                        圖4 STG-MNiHEA試樣在1000℃下拉伸后的斷裂截面圖和EBSD圖


                        本文開發了一種新型HEA合金。SEG-MNiHEA克服了應變軟化和快速晶間開裂的問題,表現出不尋常的連續應變硬化和脆韌轉變,高溫下抗拉強度提高至約260 MPa,均勻伸長率約為6.5%,本文結果證明了通過SEGB增韌析出強化HEA的強大實用性和有效性。此處采用的緩冷方法引入SEGB和不規則形狀的析出相,簡單易控,易于工業化生產,因此可用于生產多種SEGB結構的HEA和常規高溫合金。本文的發現為未來設計用于高溫結構應用的高性能析出強化HEA和高溫合金提供了新的方法。


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