西北工業大學《MRL》：冷噴涂固態增材制造高熵合金組織演變
時間：2022-02-19 21:11 來源：材料學網 作者：admin 閱讀：次
近日，西北工業大學凝固技術國家重點實驗室李文亞教授團隊與愛爾蘭都柏林大學圣三一學院STAM團隊合作，在高熵合金極端塑性變形中微觀組織及成分分布演變方面取得新的研究進展。相關成果以
“Microstructure evolution and composition redistribution of FeCoNiCrMn
high entropy alloy under extreme plastic
deformation”為題發表于材料領域國際著名期刊《Materials Research
Letters》（IF=7.323）。都柏林大學圣三一學院博士研究生于鵬飛為第一作者，西北工業大學凝固技術國家重點實驗室和都柏林大學圣三一學院為共同通訊作者單位，該研究成果獲得了凝固技術國家重點實驗室開放課題（SKLSP202011）和自主課題（2021-TZ-01）支持。
在常規金屬或合金在經歷劇烈塑性變形（SPD）時，強烈而復雜的熱-力作用，大應變和高應變率通常會引發獨特的微觀結構演變現象。例如，高應變率能夠導致粗晶粒細化為納米級晶粒，或非晶相形成。此外，劇烈塑性變形過程中極端的熱-力過程會顯著促進原子擴散，從而導致金屬間化合物的形成。近年來，由等原子或近等原子濃度的多主元素組成的高熵合金（HEA）由于其優異的力學性能和獨特的功能特性而備受關注。在所有高熵合金中，具有單一面心立方（FCC）相的 FeCoNiCrMn高熵合金體系因其出色的強度、延展性和斷裂韌性，成為目前學界研究最多的合金之一。近年針對 FeCoNiCrMn 高熵合金的劇烈塑性變形過程的研究發現，劇烈塑性變形過程對 FeCoNiCrMn 的顯微組織演變有著顯著的影響。劇烈塑性變形過程使FeCoNiCrMn發生了顯著的晶粒細化，同時引發了FCC→HCP相變以及非晶組織的形成。然而，迄今為止在HEA 的劇烈塑性變形過程的研究中使用的最大應變率約為106 s-1。在更高的應變速率下，微觀結構和元素組成會發生什么變化尚不清楚，這樣的研究空白限制了人們對HEA變形機制的理解。
為了實現更高應變率的塑性變形，本文作者使用冷噴涂技術，將微米尺度的FeCoNiCrMn顆粒以800m/s以上的速度噴射至基板上，利用高速撞擊，引起了應變率高達108 ~109s-1的絕熱塑性變形過程。研究發現，由于動態再結晶的發生，粗大的微米級晶粒在極端變形后顯著細化為納米級晶粒。不同程度的塑性變形導致晶粒細化尺寸不同。在經歷極大應變和高應變率變形的區域，獲得了平均尺寸小于100 nm的納米晶粒。此外，在 FeCoNiCrMn中首次揭示了極端塑性變形引起的 Mn 和 Ni 元素的快速重新分布。該研究豐富了學界對FeCoNiCrMn高熵合金大應變率極端塑性變形下微觀組織及成分演變規律了解，為未來使用劇烈塑性變形條件進一步優化FeCoNiCrMn高熵合金微觀組織，提高力學性能提供了重要依據。
在常規金屬或合金在經歷劇烈塑性變形（SPD）時，強烈而復雜的熱-力作用，大應變和高應變率通常會引發獨特的微觀結構演變現象。例如，高應變率能夠導致粗晶粒細化為納米級晶粒，或非晶相形成。此外，劇烈塑性變形過程中極端的熱-力過程會顯著促進原子擴散，從而導致金屬間化合物的形成。近年來，由等原子或近等原子濃度的多主元素組成的高熵合金（HEA）由于其優異的力學性能和獨特的功能特性而備受關注。在所有高熵合金中，具有單一面心立方（FCC）相的 FeCoNiCrMn高熵合金體系因其出色的強度、延展性和斷裂韌性，成為目前學界研究最多的合金之一。近年針對 FeCoNiCrMn 高熵合金的劇烈塑性變形過程的研究發現，劇烈塑性變形過程對 FeCoNiCrMn 的顯微組織演變有著顯著的影響。劇烈塑性變形過程使FeCoNiCrMn發生了顯著的晶粒細化，同時引發了FCC→HCP相變以及非晶組織的形成。然而，迄今為止在HEA 的劇烈塑性變形過程的研究中使用的最大應變率約為106 s-1。在更高的應變速率下，微觀結構和元素組成會發生什么變化尚不清楚，這樣的研究空白限制了人們對HEA變形機制的理解。
為了實現更高應變率的塑性變形，本文作者使用冷噴涂技術，將微米尺度的FeCoNiCrMn顆粒以800m/s以上的速度噴射至基板上，利用高速撞擊，引起了應變率高達108 ~109s-1的絕熱塑性變形過程。研究發現，由于動態再結晶的發生，粗大的微米級晶粒在極端變形后顯著細化為納米級晶粒。不同程度的塑性變形導致晶粒細化尺寸不同。在經歷極大應變和高應變率變形的區域，獲得了平均尺寸小于100 nm的納米晶粒。此外，在 FeCoNiCrMn中首次揭示了極端塑性變形引起的 Mn 和 Ni 元素的快速重新分布。該研究豐富了學界對FeCoNiCrMn高熵合金大應變率極端塑性變形下微觀組織及成分演變規律了解，為未來使用劇烈塑性變形條件進一步優化FeCoNiCrMn高熵合金微觀組織，提高力學性能提供了重要依據。
圖1 冷噴涂FeCoNiCrMn高熵合金沉積體顯微組織分析：（a）BF-TEM 圖像和
TKD 測試結果，（b）IPF 和平均取向差 (KAM)
圖像。可以看出，在沉積的顆粒間界面處發生了顯著的晶粒細化，這是動態再結晶的結果；由于顆粒碰撞速度高，變形時間太短，無法引起長距離晶界遷移；在這種情況下，依賴晶界遷移的不連續動態再結晶（DDRX）不再成為主要晶粒細化機制。
圖2 極端變形過程中元素重新分布過程的示意圖。最初，Mn 和 Ni
在枝晶間偏析，并且在起始粉末中形成亞晶界（a）；在變形過程中，具有小角度晶界（LAGB）的亞晶通過連續轉動演變為大角度晶界（HAGB），平均晶粒尺寸減小；由于晶粒細化，晶界面積顯著增加；大面積的晶界為Ni和Mn的擴散提供了捷徑；因此，偏析的
Ni 和 Mn
沿著新形成的晶界擴散（b-f）；由于這一過程伴隨著變形過程中的晶粒結構演變，因此偏析元素可以在幾十納秒內廣泛分散在新形成的晶界網絡中。
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