西安交大科研人员研发出一种面向极端低温环境的高性能中熵合金

现代工业对极端低温环境服役的高性能结构材料的需求日益迫切（如外太空飞行器、低温恒温器、液氮/氧/氦运输存储等领域），而绝大多数传统金属/合金呈现出温度降低、强度升高但塑韧性下降的现象。近年来，多组元（中/高熵）合金的出现开创了合金材料设计的新理念，并具有突破传统材料诸多性能极限的潜能，使其在极端环境中应用极具前景。其中单相面心立方(FCC)结构的FeCoCrNiMn高熵合金越低温越强韧的特性于2014年首次被发现，随后又发现FCC结构的NiCoCr中熵合金具有比其更高的强塑性和创纪录的断裂韧性。然而，单相NiCoCr中熵合金具有较低的屈服强度，是限制其低温工程应用的主要瓶颈。

近日， 西安交大材料学院孙军教授团队针对这一问题，以NiCoCr合金为模型合金通过成分结构设计进一步提升了其低温综合力学性能。在成分设计上，考虑到合金低温强度的提升主要源于“short-range stress”的晶格摩擦力，因此以适用于多主元合金的Varvenne模型筛选出Al和Ta作为NiCoCr基体的固溶强化元素并基于VEC准则确定其含量；在微观结构上，基于位错-共格孪晶界交互作用的温度依赖性，利用溶质原子对晶界迁移的抑制效应，同时冷轧后辅以快速退火在组织中预制高密度的退火孪晶，巧妙构筑孪晶结构的(NiCoCr)AlxTay多组元合金。随后，从Al/Ta合金化协同效应以及温度效应两个维度对其力学行为和变形机理进行了深入探索。研究结果表明，Al/Ta共掺杂显著提高了其晶格强度（图1），并且在室温下诱发了异常孪生行为，即Al/Ta共掺杂促进了基体NiCoCr合金中退火孪晶形成但抑制变形孪晶，这分别与晶界松弛行为和孪晶机制转变的尺寸效应密切相关。在液氮温度下（77K），团队研发的(NiCoCr)AlxTay合金的低温综合力学性能显著优于目前报道的FCC结构高熵合金和典型的传统高性能低温合金（如高Ni钢、304/316L不锈钢和TRIP/TWIP钢）（图2），使其作为结构材料在极端低温环境领域具有极大的工业应用潜力。该合金在低温下展现出多阶段的加工硬化能力和优异的均匀塑性，这主要源于合金在变形过程中多种变形机制的协同效应以及所形成的复杂亚结构间的强烈交互作用。另外，(NiCoCr)AlxTay合金优异的低温力学性能已经引起了相关企业的关注，通过进一步提升其综合服役性能，能够取得实际应用。

图1. Al/Ta合金化效应显著提高基体NiCoCr合金晶格摩擦力

图2. (NiCoCr)AlxTay合金室温和低温力学性能及与已报道合金的性能对比

该研究成果日前分别以“Superior strength-ductility synergy and strain hardenability of Al/Ta co-doped NiCoCr twinned medium entropy alloy for cryogenic applications”和“Achieving excellent strength-ductility synergy in twinned NiCoCr medium-entropy alloy via Al/Ta co-doping”为题在结构金属材料领域权威学术期刊Acta Mater.和JMST上发表。西安交通大学材料学院在读博士生张东东为上述论文第一作者，刘刚教授和张金钰教授为论文通讯作者，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的共同资助。

论文链接：JMST: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030221002139#fig0060

Acta Mater: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421006686#sec0021