析出相异质结构调控实现Y掺杂CoCrFeNi2Ti0.8高熵合金的强度提升

《Journal of Materials Research and Technology》：Precipitate phase heterostructures enabling the strength in Y-doped CoCrFeNi2Ti0.8 high-entropy alloys

　　

研究人员以CoCrFeNi2Ti0.8高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）为基础，结合热力学参数分析、第一性原理计算及实验表征，系统研究了Y元素含量对(CoCrFeNi2Ti0.8)100-xYx（x = 0.1、0.5、1、2）HEAs的成分、微观结构及力学性能的影响，重点阐明其强化机制。结果表明，Y的添加促进了由软FCC基体与硬金属间化合物相组成的多相异质结构的形成，且随着Y含量的增加，硬质相体积分数显著提升，晶粒细化效应增强。Y元素的引入可有效提高该系列HEAs的力学性能，但通常伴随塑性的下降。其中，Y1.0合金在屈服强度达到1380.3 MPa的同时，仍保持18.7%的压缩应变，表现出最优的强度-塑性匹配。这种优异性能归因于Y1.0的多相异质结构，包括软FCC基体及硬质η-Ni3Ti、σ相和Ni-Y相。该结构促使背应力（back stress）与正向应力（forward stress）协同作用，在不显著降低塑性的前提下实现了强度的提升。第一性原理计算进一步揭示，Y原子增加了Ni-Y相的形成比例，导致离子键占比逐渐升高，从而使析出强化成为Y1.0合金的主导强化机制；同时，Y的添加细化晶粒，增强了晶界强化（grain boundary strengthening）作用，最终实现了高强度与良好塑性的协同。

在高性能结构材料领域，实现强度与塑性的协同提升一直是研究的核心目标。高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）因其独特的多主元成分设计及可调的力学行为而备受关注。面心立方（Face-Centered Cubic, FCC）结构的HEAs通常具有良好的塑性和加工硬化能力，但其强度较低，限制了在工程承载结构中的应用。传统强化方式如固溶强化、晶界强化、析出强化和位错强化虽可提升强度，却往往因限制位错运动而导致塑性显著下降，难以突破强度-塑性的权衡瓶颈。近年来，多相异质结构设计被认为是一种有效策略，通过软相与硬相交织分布，利用二者变形不相容诱导几何必需位错（Geometrically Necessary Dislocations, GNDs）积聚，产生异质变形诱导（Hetero-Deformation Induced, HDI）强化与加工硬化，从而在提升强度的同时保持一定塑性。稀土元素钇（Yttrium, Y）因其较大的原子半径及HCP稳定作用，有望在HEAs中通过微合金化优化析出相并细化组织，但目前关于稀土元素对HEAs微观结构与力学性能的作用机制尚缺乏系统研究。

研究人员设计并制备了系列(CoCrFeNi₂Ti_0.8)_100-xY_x（x = 0.1、0.5、1、2）HEAs，采用电弧熔炼法制备合金铸锭，并通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）等手段表征相组成与显微组织，利用压缩试验与维氏硬度测试评价力学性能，并结合第一性原理计算（基于密度泛函理论Density Functional Theory, DFT）分析电子结构与键合特性，最后通过混合强化模型定量解析各强化机制的贡献。

结果与讨论

在相组成与微观结构方面，XRD与TEM结果显示，所有合金均由FCC、η-Ni₃Ti与σ相组成，随Y含量增加，富Ni-Y的六方密堆（Hexagonal Close-Packed, HCP）相逐渐形成并增多。EDS与EBSD分析表明，Y的添加显著细化晶粒，并在基体中形成软硬相交织的多相异质结构。

在力学性能方面，压缩实验显示Y0.1合金具有最高塑性（应变23.7%），而Y2.0合金强度最高（屈服强度1474.8 MPa）。Y1.0合金实现了强度与塑性的最佳平衡（屈服强度1380.3 MPa，应变18.7%），优于多数已报道的同类HEAs。硬度随Y含量增加而上升，从574 HV增至655 HV。断口分析表明，低Y合金以韧性断裂为主，高Y合金则呈脆性断裂特征，反映了硬质相增多导致的塑性下降。

在电子结构与强化机制方面，第一性原理计算显示Y原子周围电子局域函数（Electron Localization Function, ELF）值介于0.5至1之间，表明其化学键具有明显的离子键特征，同时Y的大原子半径引起局部晶格畸变，增强了固溶强化效果。混合强化模型分析表明，Y添加后强度的提升主要来自析出强化（precipitation strengthening）与晶界强化，其中Y1.0合金的析出强化贡献约为115 MPa，晶界强化贡献约65 MPa。多相异质结构中软FCC基体与硬相之间的变形不相容诱导了显著的HDI强化，使材料在保持较高强度的同时避免了剧烈塑性损失。

结论翻译

研究人员综合分析热力学预测、第一性原理计算与实验表征结果，得出如下结论：（1）Y的添加促使(CoCrFeNi₂Ti_0.8)_100-xY_xHEAs形成富Ni-Y的HCP多相异质结构，Y含量为1.0时，合金由软FCC基体与硬η-Ni₃Ti、σ及Ni-Y相构成，且Y含量增加会显著提高硬质相体积分数并细化晶粒；（2）Y的添加明显提升了CoCrFeNi₂Ti_0.8基体的力学性能，Y1.0合金屈服强度达1380.3 MPa，极限抗压强度1936.8 MPa，压缩应变18.7%，硬度随Y含量从0.1到2.0由574 HV升至655 HV；（3）Y1.0合金的优异性能源于HDI强化与混合强化机制的协同作用，软硬相之间的背应力与正向应力相互作用实现了强度与塑性的同步优化，同时Y含量增加提高了离子键比例并诱发局部晶格畸变，通过析出强化与细晶强化进一步提升力学性能。该研究发表于《Journal of Materials Research and Technology》。