在AlCoCrFeNiTi0.2这种成分复杂的合金中，当B2相发生类似旋节分解（spinodal-like decomposition）时，体心立方（BCC）沉淀物的粗化现象

《Materials Science and Engineering: A》：Coarsening of BCC precipitates following spinodal-like decomposition in the B2 phase of AlCoCrFeNiTi0.2 compositionally complex alloy

研究AlCoCrFeNiTi0.2合金B2相中BCC析出物的粗化动力学，发现其分两阶段演化，结合扩散实验和Philippe-Voorhees模型验证了粗化机制与扩散速率的关系。

　　

李瑞轩 | 萨尔希·阿巴库莫夫 | 安德烈·古萨克 | 罗志强 | 王敏庆 | 格哈德·怀尔德 | 张勇 | 谢尔吉·迪文斯基

北京GAONA材料科技有限公司，中国北京，100081

摘要

本文研究了AlCoCrFeNiTi_0.2成分复杂合金B2有序相中BCC沉淀物的粗化过程，实验温度范围为1023至1273 K。分析了这些相干沉淀物的形态、尺寸、分布和成分随时间的变化情况。这些BCC沉淀物通过类旋涡分解形成，最初在B2基体中均匀分布，先生长为长条状，随后转变为类立方体颗粒，最后进一步粗化。利用Philippe-Voorhees模型分析了沉淀物的粗化动力学，并将其与通过放射性示踪剂扩散技术测得的扩散速率进行了关联。研究表明，在考虑了替代二元B2结构中的第一和第二近邻相互作用后，可以建立一个简单的模型，该模型能够描述非化学计量比二元AB合金在温度降低过程中的A2无序化、B2有序化以及类旋涡分解阶段。

引言

高熵合金（HEAs）是一类由五种或更多主要元素组成的合金，这些元素的原子分数相等或接近相等[1]，[2]。通常通过添加少量其他元素来改善所需的性能或实现理想的性能组合。在过去十年中，HEAs得到了广泛研究，显示出一系列显著的特性，包括优异的机械性能[3]、抗辐照性[4]、高温耐受性[5]和耐腐蚀性[6]。HEAs的微观结构对于理解和进一步优化这些性能起着关键作用。最近的实验结果挑战了“高混合熵可以稳定简单单相固溶体并抑制相分离”的观点[1]，表明相分离仍会发生，HEAs通常会形成多相[7]，这突显了它们相行为的复杂性。这些多相合金被归类为成分复杂合金（CCAs），相对于单相HEAs来说，这是一个更广泛的类别[8]，[9]。

类旋涡分解是一种过程，在此过程中，均匀相自发地分离成两个或多个具有相同晶体结构但成分不同的共存相，无需成核[10]。它通常被视为无障碍的过程，与通过成核介导的转变中的亚稳态形成鲜明对比。然而，在某些有序合金中，成分调制可能伴随着局部有序程度的变化。据我们理解，在有序相分解的最初阶段，层状结构的两个微观组分仍然保持有序，但随着时间的推移（实际上，很可能是在一个很小的时间步长之后），产生的“组分”之间的浓度差会变大，最终其中一个组分的成分达到无序相的值。因此，这里使用“类旋涡分解”这一术语是为了强调所观察到的过程结合了成分调制和局部有序-无序变化。这种类旋涡相分离已在一些CCAs中观察到[11]，[12]，无论是在铸态还是热处理状态下，它都会显著影响合金的机械和磁性能[13]，[14]。然而，迄今为止的大多数研究都集中在这一现象的实验观察或热力学特性上[15]，[16]，因此需要进一步研究其在CCAs中的粗化动力学机制。

类旋涡分解的动力学与 uphill扩散有关。然而，在CCAs的情况下，各个组成元素的相互作用和扩散过程非常复杂且尚不清楚。例如，由于需要组分原子的协同扩散才能实现适当的成分分配，因此长程扩散预计会较慢[17]。在某种程度上，这适用于FCC结构的CoCrFeMnNi HEA及其相关体系中的体积扩散[18]，但这一概念是特定于元素的。与Ni[19]不同，Mn即使在同温尺度上也不表现出扩散“迟缓”现象[20]。在多相AlCoCrFeNiTi_0.2 CCA中，发现B2相的体扩散和晶界（GB）扩散并不迟缓[21]。此外，在σ相HEA中，Ni和Fe的扩散速度比在FCC HEA中更快[22]，而BCC特别是HCP HEA也表现出“非迟缓”的扩散行为[23]，[24]。另一方面，在具有随机固溶体且晶界处没有明显偏析和/或相分离的FCC HEAs中，GB扩散在低于0.5 T_{m的低温下会变得迟缓[25]。因此，从科学角度来看，研究类旋涡分解的粗化动力学与CCAs中的体扩散和GB原子扩散速率之间的关系具有很大的意义。}

在本研究中，我们探讨了AlCoCrFeNiTi_0.2 CCA B2相中类旋涡分解的形态，并提供了关于相关扩散控制生长动力学的新见解。本研究的具体目标如下：（1）系统地描述B2相中类旋涡分解过程中BCC沉淀物的时间演变；（2）定量评估BCC纳米颗粒的粗化动力学；（3）通过放射性示踪剂技术测量原子扩散速率，并将其与类旋涡分解的粗化动力学联系起来；（4）建立一个简单的替代模型，该模型能够再现非化学计量比二元合金的类旋涡分解过程，并有可能推广到多组分环境。当前的研究为通过类旋涡分解设计高性能CCAs提供了新的思路。

部分内容摘录

合金制备与表征

使用商用ZG-2XF真空磁悬浮感应熔炼炉和纯度高于99.95 wt.%的金属元素混合物制备了约3公斤的AlCoCrFeNiTi_0.2合金锭。熔炼过程中合金处于悬浮状态，因此合金与坩埚之间没有直接接触。通过电磁力搅拌熔融合金以确保其均匀性。铸态锭在1423 K下均化2天。

老化样品的微观结构

在我们之前的工作中[21]，使用DTA、XRD、SEM和TEM分析了均化和退火后的AlCoCrFeNiTi0.2 CCA。研究[21]证实，所有等温老化样品的相结构保持为B2+σ+FCC，FCC相的含量几乎可以忽略不计。因此，选择了在1023 K下老化2小时的样品作为分析代表，如图1所示。由于凝固顺序的不同，SEM图像可以...

BCC沉淀物的粗化动力学

在粗化（奥斯特瓦尔德成熟）过程中，沉淀物的平均尺寸r(t)遵循幂律关系演变[32]，[42]：$$这里r_{0是粗化开始时的平均沉淀物尺寸或长度尺度，k是粗化速率常数，它是平衡沉淀物体积分数的函数，n是粗化指数。经典理论预测，对于扩散控制的粗化，生长指数n为3；对于界面控制的情况，n为2}

结论

在1023至1173 K的温度范围内，研究了AlCoCrFeNiTi0.2成分复杂合金B2有序相中相干BCC沉淀物的粗化行为，同时进行了Cr示踪剂扩散和类旋涡分解的替代模型研究。主要结论如下：

• 1.
  B2基体中形成的BCC沉淀物在老化过程中经历了两个阶段的演变。早期它们主要表现为细长的条状，随着时间的推移逐渐变厚，而后期则发生...

CRediT作者贡献声明

格哈德·怀尔德：撰写 – 审稿与编辑。李瑞轩：撰写 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，方法学研究，数据分析。萨尔希·阿巴库莫夫：撰写原始草稿，软件开发。安德烈·古萨克：撰写原始草稿，软件开发。张勇：研究工作，资金获取，概念构思。谢尔吉·迪文斯基：撰写 – 审稿与编辑，研究工作，资金获取，数据分析，概念构思

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

S.D.感谢德国研究基金会（DFG）在研究项目DI 1419/24-1（项目编号509804947）下的部分财政支持。A.G.感谢波兰科学与高等教育部（合同编号MEiN/2023/DIR/3797）的支持，并感谢ENSEMBLE3——纳米声子学、先进材料和新颖晶体生长技术卓越中心的支持，该项目由欧盟通过欧洲区域发展基金共同资助