基于非晶态结晶行为的高强度FeB和FeBNb复合合金的设计与机理研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Design and mechanistic study of high-strength FeB and FeBNb composite alloys based on crystallization behaviors of amorphous states

本研究制备了Fe83B17和Fe77B17Nb6两种高强复合合金，系统研究了冷却速率对其微观结构和力学性能的影响。结果表明，缓慢凝固的Fe83B17合金室温强度达2260 MPa，而Fe77B17Nb6合金通过FeNbB相形成获得更好的高温性能（700℃时屈服强度730 MPa）。微观结构中α-Fe相和Fe2B/FeNbB相的分布、尺寸及含量分别主导塑性和硬度。非平衡凝固过程中FeNbB相的延迟析出及高成核能垒提升了熔体形成非晶的能力，从而细化复合结构。研究揭示了合金设计、相变动力学与性能的关联，为高性能复合结构材料开发提供新思路。

　　

薛世强|高梦琪|文东辉|黄兆文|苗志成|孔丰宇|李强|王安定

新疆大学物理科学与技术学院，中国新疆乌鲁木齐市830046

摘要

制备了在室温和高温下均具有高强度的双相Fe₈₃B₁₇和三相Fe₇₇B₁₇Nb₆复合合金，并系统研究了冷却速率（CR）对微观结构和力学性能的影响。缓慢凝固的Fe₈₃B₁₇合金样品表现出2260 MPa的高强度，而Fe₇₇B₁₇Nb₆合金在室温下的屈服强度为1550 MPa，并具有更好的压缩塑性。在700°C时，Fe₇₇B₁₇Nb₆合金的屈服强度进一步提高至730 MPa，且其抗热软化性能优于Fe₈₃B₁₇合金。研究发现，这些复合合金的变形能力取决于含有密集位错的α-Fe相的分布、尺寸和含量，而硬度主要由Fe₂B和FeNbB相的尺寸和含量决定。在接近共晶的Fe₇₇B₁₇Nb₆合金中，从熔体凝固过程中形成的FeNbB初生相会转变为α-Fe相。FeNbB相的沉淀过程受到动力学延迟，以及α-Fe相沉淀所需的高能量障碍，使得熔体具有较高的非晶形成能力和稳定性，从而形成了细小的复合结构并表现出优异的力学性能。这些结果为高性能复合结构合金的设计提供了有效参考，并为非晶形成能力与复合合金细化之间的关系提供了新的见解。

引言

基于FeB的合金及其衍生物，通过添加软质α-Fe、超硬硼化物和难熔金属硼化物，以其高强度、优异的硬度和出色的耐磨性而闻名[1]、[2]、[3]。然而，铸态样品的复合结构始终受凝固速率和成分的影响，导致性能波动较大，且在成分和铸造工艺设计上存在很大困难[4]、[5]。此外，为了在室温和高温下获得最佳的强度-韧性协同效应和高耐磨性，需要调节包括晶粒尺寸、多相比例和分布等结构参数，以适用于各种应用，如衬里、轴承、研磨介质和农业工具[6]、[7]。在非平衡凝固过程中，亚稳态过渡相也会显著影响凝固结构，导致实际结果与计算相图有很大偏差，热力学和动力学控制因素也有所不同[8]、[9]。值得注意的是，直接揭示高温熔体的结晶行为非常困难，基于铸态样品微观结构的回溯分析的可靠性也值得怀疑。除了室温下的高强度外，还需要平衡高温下的铸造性能和结构稳定性。所有这些因素都使得设计高性能合金成为一大挑战。

我们发现FeBNb系合金在室温和高温下均表现出高强度。三种元素之间的原子尺寸差异较大（>13%），混合焓为负值（≤ -16 kJ/mol）（图1d），这使它们成为探索复合合金成分设计策略、性能调整范围和性能-结构关联的良好模型材料[10]、[11]。在传统的Fe基合金中，Nb通常作为Laves相的促进剂和微观结构的细化剂[12]，在FeBNb合金中应也是如此。关于冷却速率（CR）的影响，研究发现，在特定成分范围内的FeBNb合金在铜模铸造过程中可以形成良好的非晶结构，表明熔体可以被冻结[13]、[14]。令人欣慰的是，可以通过使用非晶态的带状样品来实验研究结晶过程、亚稳态相、热力学和动力学因素[13]、[15]。微观结构和性能可以连续且大幅度地调节，性能-微观结构的相关性也可以很容易地被探索。此外，还可以评估结构预测与计算相图的偏差，并建立新的设计模型。

在本研究中，设计并系统研究了两种典型的Fe₈₃B₁₇和Fe₇₇B₁₇Nb₆合金作为模型材料，以验证成分和工艺预测对超高强度复合合金的有效性。通过熔体旋转法制备了非晶带状样品，并使用连续加热和等温保持方法研究了它们的结晶行为。采用楔形模具铸造和电弧熔化后的原位凝固（缓慢CR）方法制备了具有梯度结构的复合合金。结合梯度凝固技术研究了非晶合金的结晶行为，揭示了从非晶态到晶态的可控转变过程，从而能够连续调节复合结构的细粒度从细粒到粗粒，以及从单相到多相分布的转变。这种方法有效地分离了冷却速率、相变路径和微观结构之间的复杂相互作用。这些发现为复合合金的玻璃形成能力和微观结构细化之间的关系提供了新的见解。

材料与方法

在氩气气氛中，通过电弧熔化高纯度材料（Fe（99.99 wt.%）、B（99.5 wt.%）和Nb（99.99 wt.%）的混合物，制备了Fe₈₃B₁₇和Fe₇₇B₁₇Nb₆合金锭。所有锭材至少重新熔化六次以确保均匀性。用于室温（RT）和高温（ET）压缩测试的样品（尺寸为3 mm × 3 mm × 6 mm）是通过电放电机从缓慢CR的合金锭材中切割而成的。使用带有楔形槽的铜模来铸造不同长度的样品。

微观结构与冷却速率敏感性

首先，我们根据相图介绍了成分设计方法。如图1a-b所示，Fe-B和Fe-Nb二元相图在富Fe侧都存在共晶点[17]、[18]。在Fe-B-Nb三元相图（图1c）中，FeNbB相区域位于低温液态区域（1473 K）[19]。由于本研究的目的是设计具有高铸造性、室温下高强度和高温下高塑性以及大塑性的复合合金，因此成分的选择...

强化机制

首先，我们关注室温（RT）和高温（ET）下的高强度机制，以及两种设计合金的不同性能。通过对铸态样品进行纳米压痕测试，识别了两种合金中的各相（图8a-c）。在Fe₈₃B₁₇合金中，α-Fe相和Fe₂B相的硬度分别为632 HV和1842 HV（图8a, c）。在Fe₇₇B₁₇Nb₆合金中，α-Fe相、Fe₂B相和FeNbB相的硬度分别为439 HV、1806 HV和2323 HV（图8b, c）。

结论

本研究成功开发了高强度的双相Fe₈₃B₁₇和三相Fe₇₇B₁₇Nb₆复合合金，并揭示了非晶形成能力与复合合金细化之间的关系。这些发现建立了合金设计、相形成动力学和力学性能之间的明确关联，为先进复合结构材料的开发提供了框架。主要结论如下：

1)

缓慢凝固的Fe₈₃B₁₇合金表现出...

CRediT作者贡献声明

李强：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供，方法论制定，概念构建。 王安定：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供，方法论制定，概念构建。 薛世强：撰写 – 原稿撰写，方法论制定，实验研究，数据分析，概念构建。 黄兆文：方法论制定，数据分析，概念构建。 苗志成：方法论制定，数据分析。 高梦琪：方法论制定，实验研究，数据分析。 文东辉：撰写 –

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52201175, 52271143）、广东省基础与应用基础研究基金（2022B1515120027）以及新疆维吾尔自治区（XJ2023G021）的支持。