TEM案例分享-新型L12纳米颗粒强化高熵合金的结构表征

      目前，高/中熵合金(HEAs/MEAs)作为一种新型金属材料引起了材料界的广泛关注。与单FCC HEAs相比，通过在FCC基体中引入共格L12纳米粒子进行沉淀强化有望取得很好的强度和延性协同效果。

      高熵合金中的FCC基体通常由3d过渡金属组成，如FeCrNi、FeCoNi和FeCoCrNi合金。而Cr作为强化元素加入，会使脆性σ相或Laves相在上述高熵合金中更容易形成。另外，三元CoNiCr体系高熵合金在高温和低温下均表现出优异的力学性能。在该体系中，高含量的Co和Ni元素可以通过添加Al和Ti元素显著增强其固有延展性，诱导纳米相的形成。

本研究采用传统电弧熔炼法，设计并制备了新型Co51.3Ni19.5Cr19Al6.4Ti3.4Nb0.4 中熵合金。合金液经搅拌后滴铸到铜模具中，然后进行1200℃ 15h固溶处理，再进行时效处理。时效处理后的样品标记为S1。对样品进行了结构、成分、硬度和力学性能测试，讨论了合金的变形和强化机制。

本研究采用传统电弧熔炼法，设计并制备了新型Co51.3Ni19.5Cr19Al6.4Ti3.4Nb0.4 中熵合金。合金液经搅拌后滴铸到铜模具中，然后进行1200℃ 15h固溶处理，再进行时效处理。时效处理后的样品标记为S1。对样品进行了结构、成分、硬度和力学性能测试，讨论了合金的变形和强化机制。

铸态样品组织为典型枝晶组织，其SEM形貌图如下，EDS成分分析显示枝晶组织相对于枝晶间组织，Co、Cr含量更高，Ni、Ti含量更少。

时效样品的组织形貌如下图，与铸态不同，时效样品晶粒呈等轴状。图c是明场像，明场下我们很难区分析出相和基体，这是因为两者是共格关系，衍射衬度很接近。这种情况下我们一般会选取析出相的衍射斑点看暗场像，如图b，此时就可以清晰地看到析出相的形貌了。图e/f的选区电子衍射和图g中小图显示的FFT斑点都表明基体与FCC结构吻合，析出相与L12结构吻合，两者呈共格关系。

对上面的区域做EDS面扫描，可以直观地看到元素分布情况，如下图。显然析出相的Ni、Ti、Al含量高于基体，而Co、Cr含量相对较低。

在做完力学性能测试之后，发现时效合金取得了不错的强度-延性综合性能，为了分析材料的强化机制，我们往往需要从位错层错等缺陷的尺度（纳米级尺度）下观察分析，如下图，对拉伸断裂后的样品做TEM表征。首先从图a明场像中就可以看到很多（111）面层错和位错缠结。电子衍射图表明该拉伸断裂样品的相组成依然是FCC+L12，较拉伸前没有改变。并且注意到，位错主要集中在软的FCC基体相中，而L12相中的位错较少，这是因为L12超晶格结构具有较高的反相畴界能（~200 mJ/m2），阻碍了位错的成核与滑移。图c和d可以看出层错数量多且相交，形成纳米层错网络，通过所谓的动态Hall-Petch效应提高加工硬化响应。另外，层错的相互作用形成了无法移动的L-C锁，阻碍了位错的滑移，促进位错积累，同时也可成为Frank-Read位错增值源。图e可见变形孪晶，也有助于提高应变强化能力，延缓局部颈缩。

论文还分析计算了各种强化机制的贡献，此处不再详述。

经过一系列表征与分析，论文得出结论如下：

█ 本研究通过直接铸造和后续热处理，成功制备出具有优秀延展性和高强度组合的新型L12 强化Co51.3Ni19.5Cr19Al6.4Ti3.4Nb0.4中熵合金。

█该中熵合金的微观结构为纳米级L12结构的纳米沉淀(~30 nm)+较软的FCC基体，这使得合金具有优异的拉伸性能，屈服强度为~710 MPa，极限抗拉强度为~1045 MPa，均匀伸长率为~31.3%。

█变形诱导的纳米间距层错网络、纳米孪晶和高密度L-C锁有助于提高加工硬化能力，从而具有优异的拉伸延展性。

更多的实验和数据细节，感兴趣的观众可以阅读论文原文获取哦。