热稳定性是纳米金属材料最关键的问题之一。CoCrFeNiMn作为经典的FCC结构高熵合金，由于其良好的延塑性、强度和耐腐蚀性得到了广泛的研究。通过高压扭转、等通道角压、旋转压铸和轧制等剧烈塑性变形（SPD）方法制备的超细或纳米晶高熵合金进一步表现出优异的力学强度。但是，在大于800 ℃热处理后其强度急剧下降到与铸态合金相同的水平，限制了纳米高熵合金在高温下的应用。因此，寻找并开发具有良好高温稳定性的纳米高熵合金作为下一代高性能合金的策略具有重要意义。 近日，南京理工大学冯涛教授（通讯作者）、兰司教授（通讯作者）与德国卡尔斯鲁厄理工学院HorstHahn院士就纳米结构CoCrFeNiMn高熵合金开展了相关合作研究。该工作运用原位同步辐射高能X射线散射、透射电镜TEM、电子背散射衍射EBSD等表征手段，研究了激光蒸发惰性气体冷凝法制备的CoCrFeNiMn纳米高熵合金在升温过程的微观结构演化和力学性能之间关系及其强化机制，发现其硬度与多种强化机制有关。研究成果近日以“Ultrahigh hardness with exceptional thermal stability of a nanocrystalline CoCrFeNiMn high-entropyalloy prepared by inert gas condensation”为题发表在Scripta Materialia上。 论文链接： https:///10.1016/j.scriptamat.2020.06.042 在早期退火阶段（30-400℃），其强化机制主要受益于BCC析出相的存在、晶界能的释放和样品孔隙率的下降。随着退火温度的增加（400-600℃），其硬化的主要机制是Cr-rich BCC相的析出和退火孪晶的生成。而在高温（900-1100℃）退火后其硬度仍保持高水平，主要是退火孪晶的进一步增多以及异质结构形成的贡献。研究还发现该合金的晶粒尺寸在高温900 ℃退火后仍保持在超细晶（~458 nm）水平，相较于SPD法制备的同类高熵合金小了将近40倍。这是由于其最初的独特晶粒尺寸分布所造成的。这一研究结果为制备具有超高硬度和极佳热稳定性的新型纳米结构金属材料提供了一种新方法。 图1.激光蒸发惰性气体冷凝法制备的纳米高熵合金的微观结构和硬度：(a), (b)分别为原始粉末和块体的TEM图。(b)中的插图是块体纳米高熵合金的晶粒尺寸分布；(c)和(d)为样品等时(1小时)和等温(600 ℃和900 ℃)热处理的维氏硬度变化；(e)退火引起的最大显微硬度增量（ΔHV/HV0,HV0为激光蒸发惰性气体冷凝法及其他合金经过SPD后的初始硬度)。 图2.激光蒸发惰性气体冷凝法制备样品在退火过程中的微观结构：(a)和(b)为样品在30 ~1000 ℃的原位同步辐射XRD图；(c) BCC和Cr-rich特征峰从30 ~ 800 ℃的归一化积分。 图3.激光蒸发惰性气体冷凝法制备的纳米高熵合金样品600 ℃退火1 h的微观结构：(a)和(b)为TEM图像。(c)是典型的衍射图样。(d)为STEM图像，(e-i)为(d)所示区域的EDX元素分布图。 图4.激光蒸发惰性气体冷凝法制备的纳米高熵合金样品900 ℃退火1 h的微观结构: (a) EBSD平面图；(b)取向差分布图，其中的60°为孪晶晶界(TB)；(C)在高温(700-1200 ℃)下，本工作与其他方法制备的CoCrFeNiMn和HfNbTaTiZr HEAs的晶粒尺寸比较。 综上所述，本工作首次通过激光蒸发惰性气体冷凝法制备了CoCrFeNiMn纳米高熵合金。与铸态样品和用其他方法制备的CoCrFeNiMn纳米高熵合金相比，该合金具有极高的硬度和热稳定性能。激光蒸发惰性气体冷凝法制备的合金的这种优异性能是由于其复杂的微观结构和多种强化机制的结合。特别是该合金在高温退火后仍能保持较高的硬度，高温退火不仅涉及析出相硬化，还涉及孪晶的生成和异质结构组织引起的背应力强化。本研究提供了一种新的纳米结构合金制备技术---激光蒸发惰性气体冷凝法，具有广阔的应用前景。 *感谢兰司教授等人对本文的大力支持。 |
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