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背景简介

高熵合金是一种极具潜力的工程材料，在不同力学性能方面显示出具有工业应用前途的结构特性。结合各种增材制造工艺，包括选区激光熔融（SLM），可以实现材料在室温和高温下的高强度。但是目前对于高温下的机械性能及其影响因素方面的研究较少，尤其是对于特定某成分分支下的材料来说。本研究主要针对由于高温导致热延展性下降的问题，而尝试于高熵合金中引入锯齿状晶界以应对该性能劣化。

成果介绍

（1）本研究通过特定热处理方法以实现在Al₈Co₃₅Cr₁₈Ni₃₄Ti₃Nb₂Zr_0.005B_0.01 (at.%)中引入锯齿状晶界的目的。而具体的热处理工艺则是根据γ′颗粒与晶界的相互作用，进行了不同中断温度的水冷试验而确定的。例如，图1a展示了在1120 ℃下保持1小时后缓慢冷却的中断水冷试验，以确定在缓慢冷却过程中晶界的变化，然后根据以上结果再进行后续工艺的设计。具体的工艺设计路线如图1b和1c所示。而按照图1b和图1c的工艺则分别得到了不同扭曲程度的晶界，两种工艺得到的微观组织对比如图2所示。

（2）由HT-2工艺得到的锯齿状晶界可以使材料在650℃下的拉伸断裂延伸率和蠕变断裂寿命分别显著增加3.5倍和400倍。具体的拉伸试验应力应变曲线和蠕变试验结果数据分别如图3和图4所示。

图1 (a) 三个温度节点下的中断水冷试验设计以确定不同晶界扭曲程度热处理工艺; (b) HT-1; (c) HT-2。

图2 两种特定设计工艺以得到不同扭曲程度的晶界；(a) (c) (e) (g) 对应于HT-1工艺；(b) (d) (f) (h) 对应于HT-2工艺。

图3 HT-1与HT-2 得到的材料在(a) 室温和(b) 650℃下的拉伸应力应变曲线

图4 650 ℃ /650 MPa下的蠕变断裂曲线: (a) 蠕变应变与时间的关系; (b) 蠕变应变速率与蠕变应变的关系。

（3）对于HT-2工艺来说，热处理后的缓慢冷却过程使γ′颗粒粗化，并与迁移的晶界发生相互作用，以形成锯齿状晶界。而由HT-1得到平直晶界在650℃下时显示出的拉伸和蠕变塑性较差，这主要是由于三叉晶界处的应变集中和沿晶裂纹快速扩展引起的晶界脆化所致。如图5所示，蠕变断裂断口显示出的特征印证了以上观点。另外，断裂后的样品EBSD分析及其力学模拟结果表明，锯齿状晶界比平直晶界能更均匀地分布应变，以降低局部应力集中，提供抗沿晶裂纹扩展的能力。图6和图7分别给出了蠕变断裂样品的KAM分析结果和针对晶界形态对应力集中影响的模拟。

图5 (a, b) HT-1和 (c, d) HT-2蠕变试验断口对比

图6 裂纹尖端蠕变试样的KAM分析: (a) HT-1样品; (b) HT-2样品。

图7 晶界应变分布的分子动力学模拟: (a) HT-1样品; (b) HT-2样品。在HT-1样品中，清晰可见三结点处的严重局部应变。

致谢

这项工作得到了属于教育部（MOE）高等教育科学计划框架内的“高熵材料中心”和台湾科学技术理事会（NSTC）项目的支持，项目号为 [NSTC 111-2634-F-007-008，NSTC 111-2224-E-007-003，NSTC 110-2221-E-007-020MY3]。此外，Jhuo-Lun Lee还要感谢NIMS提供的国际合作项目（ICGP）奖学金。

本期小编：董乃健（整理）

徐浩波（校对）

王康康（审核）

王永杰（发布）