Ni1.5CoCrAlx共晶高熵合金的力学性能受Al诱导形成的体心立方（BCC）沉淀物形态的调控

《Vacuum》：Mechanical properties of Ni1.5CoCrAlx eutectic high-entropy alloys regulated by Al-induced BCC precipitate morphology

　　

王汉星|李丽宁|赵春宇|张雷

新疆先进金属材料设计与应用自治区重点实验室，新疆大学材料科学与工程学院，乌鲁木齐，新疆，830046，中国

摘要

将单相高熵合金（HEAs）转化为共晶双相HEAs以增强其强度-延展性协同效应已成为一种新兴的强化机制，有效解决了单相合金固有的强度-延展性权衡问题。基于Ni₁.₅CoCr单相面心立方（FCC）合金，通过不同量的铝添加进行真空熔炼，制备了一系列Ni_1.5CoCrAl_x（x = 0, 0.5, 0.75, 1.0）共晶HEAs（EHEAs），实现了从单一FCC相到由FCC和体心立方（BCC）相组成的双相结构的转变。Ni_1.5CoCrAl_0.75 EHEA表现出最佳的机械性能：屈服强度约为850 MPa，抗拉强度为1364 MPa，同时保持17%的延展性。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察表明，铝含量显著影响BCC沉淀物的形态（x = 0.5、0.75和1.0时分别为树枝状、层状和球状）。本研究为改善Ni_1.5CoCr合金的性能提供了新方法，并为类似EHEAs的设计和性能优化提供了参考。

引言

自2004年问世以来，高熵合金（HEAs）因其在航空航天、化石能源和军事应用领域的潜力而受到金属材料研究人员的广泛关注。与传统基于单一或两种主要元素设计的合金不同，HEAs由于其独特的原子排列和多种主要成分的固溶效应而展现出卓越的整体性能[[1], [2], [3]]。迄今为止研究的大部分HEAs主要由单相FCC或BCC结构组成。正如大多数综述文章所指出的，这两种类型的单相HEAs在过去十年中都得到了深入研究，但它们仍然存在强度不足或延展性较差的缺点。例如，Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀合金的拉伸延展性约为58%，但屈服强度仅为240 MPa [4]。这些以FCC为主相的HEAs虽然具有优异的延展性，但屈服强度较低。相反，以BCC为主相的HEAs虽然屈服强度较高，但延展性较差。典型的例子包括MoNbTaV和HfMoTaTiZr HEAs，在室温下的压缩应变分别仅为2.6%和4% [5]。因此，在单相HEAs中实现高强度和高延展性的理想平衡是一个巨大的挑战。此外，HEAs的铸造性能差、流动性低以及成分偏析也成为其工业应用的主要障碍。

然而，EHEAs的出现有效解决了这一难题。在这些EHEAs中，有一部分是由FCC和BCC相或FCC和有序体心立方（B₂）相组成的双相组合[[6], [7], [8]]，表现出优异且独特的性能，如室温下的优良机械性能和铸造性能，以及独特的损伤机制。第一类包括FCC和B₂相的组合，例如Al₁₉Fe₂₀Co₂₀Ni₄₁ [8]、CrFeNi_2.2Al_0.8 [9]、Ni₃₀Co₃₀Cr₁₀Fe₁₀Al₁₈W₂ [10]和Fe_28.2Ni_18.8Mn_32.9Al_14.1Cr₆ [11]。同时，一些EHEAs由FCC相和特定的金属间化合物（IMCs）组成，如CoCrFeNiNb_0.45 [12]、Co₂Mo_0.8Ni₂VW_0.8 [13]、Hf_0.55CoCrFeNi₂ [14]和CrFeNi_1.85V_0.64Ta_0.36 [15]。这些具有复杂晶体结构的硬质IMCs具有显著的强化效果，使这些EHEAs具有超高的屈服强度。然而，很难确定这些IMCs内的稳定多型体。随着温度或施加应力的变化，合金内部可能会发生相变[16]。此外，大多数报道的EHEAs以及轻质高熵合金（LWHEAs）、难熔高熵合金（RHEAs）和传统的镍基合金通常都存在强度-延展性权衡问题。

因此，为了开发具有稳定金属间化合物和优异机械性能的HEAs，本研究设计了一系列新型EHEAs，其组成为Ni_1.5CoCrAl_x（x = 0, 0.5, 0.75, 1.0）；在单相NiCoCr FCC合金的基础上增加了镍含量，并引入铝以促进NiAl富集的BCC沉淀物的形成。通过比较不同铝掺杂量对合金机械性能的影响，最终验证了Ni_1.5CoCrAl_0.75 EHEA具有优异的机械性能，屈服强度约为850 MPa，抗拉强度约为1364 MPa，同时保持17%的延展性；Ni_1.5CoCrAl_0.75 EHEA由FCC和BCC相组成，与大多数报道的EHEAs相比，其特征是BCC沉淀物在FCC基体中均匀分布，这种独特的形态和分布对拉伸变形过程中的位错运动造成了复杂多样的阻碍，从而赋予了合金优异的机械性能。本研究通过多种实验表征和理论分析（包括电子背散射衍射（EBSD）、SEM、TEM和分子动力学模拟）揭示了EHEA优异强度-延展性协同效应的内在机制。

章节摘录

材料制备

采用真空电弧熔炼（VAM）技术制备了一系列Ni_1.5CoCrAl_x（x = 0, 0.5, 0.75, 1.0） EHEAs。使用的镍、钴、铬和铝等超纯元素金属的纯度不低于99.99%，并根据目标合金的名义成分精确称量。每块合金锭的设计质量为60克。为了有效抑制熔炼过程中金属原料和熔融合金的氧化，采用了循环...

材料相分析

为了分析不同铝含量的Al0、Al0.5、Al0.75和Al1的相组成，对合金进行了XRD和EBSD分析，归一化处理后的XRD测试结果如图1所示。使用Jade 6软件分析衍射图案数据，并与PDF数据库进行了比较。结果显示Al0呈现单一FCC相；随着铝的添加，Al0.5、Al0.75和Al1均呈现出FCC和BCC共存的双相结构...

讨论

本文介绍了一种通过添加铝引入BCC相来增强单相FCC合金强度的策略，同时调节铝含量以实现EHEAs的强度和延展性之间的最佳平衡。为了验证这一策略的可行性，设计了一系列Ni_1.5CoCrAl_x（x = 0, 0.5, 0.75, 1.0） EHEAs。下面结合分子动力学模拟的结果进行了详细讨论：

首先，我们诱导了BCC相的形成...

结论

本研究提出了一种通过添加元素来提高NiCoCr合金室温强度的创新方法。研究人员增加了合金中的镍元素比例，并添加铝元素以促进(Ni, Al)富集的BCC相的形成，最终设计了一系列组成为Ni_1.5CoCrAl_x（x = 0, 0.5, 0.75, 1.0）的EHEAs。本研究系统地分析了EHEAs的相形态、分布和结构演变...

CRediT作者贡献声明

王汉星：撰写——原始草稿、方法论、正式分析、数据管理。李丽宁：撰写——审稿与编辑、软件应用、方法论、实验研究、正式分析、数据管理。赵春宇：撰写——审稿与编辑、数据可视化、验证、项目监督、资金筹集、数据管理。张雷：撰写——审稿与编辑、数据可视化、验证、项目监督、资金筹集、概念构思。

数据声明

作者声明，重现这些发现所需处理的数据已包含在本手稿中。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢自治区内高校的基础科学研究业务经费项目（XJEDU2026P013）和“天池人才”引进计划以及新疆维吾尔自治区青年自然科学基金（2025D01C252）和山东省自然科学基金（ZR2023QB140）以及山东省高校青年创新团队发展计划（2022KJ195）和中央引导基金地方科技发展项目（ZYYD2026ZY19）的支持。