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赵怡潞/杨涛团队：高熵合金中纳米析出相的独特双功能特性

日期： 来源：研之成理收集编辑：APM













文章题目：Unveiling the unique bifunctionality of L12-structured nanoprecipitates in a FeCoNiAlTi-type high-entropy alloy

第一作者：张健阳

通信作者：赵怡潞，杨涛

纳米析出强化已被广泛采用作为设计高强度合金的有效方法，不过这通常会导致塑性的损失。在本研究中，我们揭示了FeCoNiAlTi型高熵合金中L12结构纳米析出相的独特双功能特性，能够同时提高合金的抗拉强度和塑性。结果表明，淬火后无析出相的基体合金会发生热致马氏体转变，形成具有有限拉伸塑性的体心立方结构的马氏体相。与之形成鲜明对比的是，当引入密集并且共格的L12纳米析出相时，无序的面心立方基体得到暂时稳定，并促进了微带诱导塑性变形和与之相关的应力诱导马氏体相变。这使得我们能够在高强度水平上获得明显改善的加工硬化能力和出色的变形稳定性。这些新发现重塑了我们对析出强化的理解，并可以通过调节共格纳米析出相和马氏体相变为开发高性能合金提供有用的指导。
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研究背景

在过去的几年里，含有L12型纳米颗粒的析出强化高熵合金作为一种先进的高性能超合金引起了人们的极大兴趣。一方面，L12纳米颗粒可以给基体提供共格、有序的强化。另一方面，这些多组分的L12纳米颗粒具有固有的塑性，和FCC基体一起使变形机制（比如微带诱导塑性变形）在析出强化高熵合金中实现微妙的调节。到目前为止，许多研究都集中在通过微合金化或新的热机械加工工艺来进一步改善析出强化高熵合金的力学性能，其强化的核心策略在于增加析出相的体积分数以及引入异质微观结构的背应力强化。然而，提升塑性的策略与单相合金明显不同，比如在单相合金中被广泛使用的孪晶诱导塑性变形和相变诱导塑性变形很少出现在L12析出强化高熵合金中。最近，我们发现在中、高层错能的Fe-Co-Ni-Al-Ti高熵合金中，少量的FCC相在变形微带边界附近转变为BCC相，这可能表明在该高熵合金中，有可能通过调节变形引起相变过程。然而，到目前为止，基体合金的内在相变倾向仍不清楚，L12颗粒如何影响析出强化高熵合金的相变仍远未被理解，因此需要进行更系统的分析。
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创新点

（1）通过多尺度表征技术，我们证明了Al8Ti6高熵合金中密集的L12颗粒不仅可以提供常规析出强化，还可以抑制水淬过程中热致马氏体的出现，暂时稳定基体的FCC结构（图1和图2）。
（2）Al8Ti6高熵合金相较于Al8Ti6基体合金有更优异强度和塑性（图3），Al8Ti6高熵合金的中、高层错能使其在变形后期有可能出现频繁的位错交滑移，使得在较高的塑性应变下出现以微带为主的变形模式（图4）。
（3）纳米尺寸的应力诱导马氏体相出现在变形微带附近，这反过来可以促进应力集中的消除，进一步增强可持续加工硬化能力和均匀变形，延缓颈缩失稳的发生（图5和图6）。
图1. Al8Ti6合金的微观组织和化学成分
图2. Al8Ti6基体合金的微观组织和化学成分
图3. Al8Ti6合金和Al8Ti6基体合金的室温拉伸应力应变曲线和相应的断口形貌

图4. Al8Ti6合金的变形行为分析
图5. 微带诱导塑性变形和与之相关的应力诱导马氏体相变

图6. 示意图显示高温下无析出物的奥氏体相（Al8Ti6基体合金）在淬火至室温后转变为热致诱导马氏体，断裂后仍为马氏体相；高温下包含L12纳米颗粒的奥氏体相（Al8Ti6合金）在淬火至室温后仍保持奥氏体加析出相的微观结构，断裂后出现众多微带和伴随的变形诱导马氏体
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启示

析出相通常被用作强化材料的位错障碍。但是这种障碍通常会导致塑性的下降，显示出所谓的强度-塑性权衡，这一直是材料科学中的一个长期难题。我们的研究结果不仅加深了对高熵合金中纳米析出相的双功能特性的基本理解，而且还将为开发基于纳米析出相和亚稳基体的具有出色力学性能的新型合金提供新的见解。
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团队介绍


张健阳，香港城市大学材料科学与工程学院在读博士研究生，主要研究方向为强韧性、耐腐蚀性能的高性能合金的设计与开发，先后在Corrosion Science, Journal of Alloys and Compounds等国家期刊发表多篇学术论文。
 
赵怡潞，博士生导师，哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院教授，中国材料大会“非晶与高熵合金”分会“青年科学家”。赵教授于2018年在香港城市大学获得机械工程学位，主要研究方向是高熵合金和金属间化合物的冶金设计和先进微观结构分析（如HR-TEM，3D-APT等）。近年来以第一作者/通讯作者发表论文10余篇，包括Science, Acta Materialia, Scripta Materialia，Materials Research Letters，Journal of Alloys and Compounds等，其中高被引文章2篇。
杨涛，博士生导师，香港城市大学材料科学与工程系助理教授。国家自然科学基金委优秀青年基金（港澳）和香港研究资助局杰出青年学者获得者，并先后荣获香港高等研究院“明日之星奖”(Rising Star Award)、国际材联IUMRS“青年科学家奖”等。长期专注于先进金属结构材料的合金设计与组织性能调控，在高温金属间化合物、纳米增强高熵合金、增材制造与成型等领域开展了系统深入的研究与探索，先后取得了一系列原创性的研究进展。已在国际顶尖学术期刊上发表学术论文80余篇，其中近5年以第一作者/通讯作者身份发表高水平学术论文数十篇，主要包括Science，Nature Communications，Materials Today，Advanced Materials, Science Advance, Acta Materialia，International Journal of Plasticity等。
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文章信息

Jianyang Zhang, Zhankun Zhao, Qian Li, Junhua Luan, Chain-Tsuan Liu, Yilu Zhao, Tao Yang, Unveiling the unique bifunctionality of L12-structured nanoprecipitates in a FeCoNiAlTi-type high-entropy alloy, Adv. Powder. Mater. 2023, 2, 100113. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2023.100113
原文下载：
https://wwul.lanzoue.com/ikJlE0nm4b4f
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