西工大魏秉波團隊Scr. Mater：超聲細化共晶組織同時提高高熵合金強度/塑性

一、導讀

具有共晶結構的高熵合金具有優異的力學性能。為了優化材料的組織與力學性能，最常用的方法是冷軋加退火處理。傳統變形強化通常是基于固態加工的策略，但至今尚無液-固的工藝來優化材料的組織和力學性能。超聲凝固作為一種具有悠久歷史的高效環保加工技術，已廣泛應用于鋁合金、鎂合金的科研和工業生產。超聲在合金熔體中傳播時，會產生空化效應、聲流和機械振動，從而細化合金的晶粒尺寸，調節合金的形貌，提高合金的物理性能，例如：超聲顯著改變了Sn-Pb和Al-Si共晶合金的形核和生長特性。因此，超聲同樣可以調節高熵合金的共晶組織。然而，由于高熵合金的液相溫度較高，這給超聲應用帶來了技術障礙。

二、成果掠影

近日，來自西北工業大學物理科學與技術學院的魏秉波院士，王建元教授采用20 kHz功率、最大振幅為13 μm的超聲波對高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的凝固過程進行調制。發現凝固共晶組織由L1₂相和B₂相組成，以K-S取向關系協同生長。隨著超聲振幅的增加，共晶晶粒和片層間距顯著細化，L1₂/B₂界面共格比例增加，共晶相溶質的濃度波動被明顯抑制。超聲波干預凝固合金的屈服強度、極限強度和總伸長率分別比靜態凝固合金提高23%、21%和19%。這為提高具有共晶結構的高熵合金的力學性能和克服強度/塑性平衡提供了有效途徑。相關成果以“Strength and ductility enhancement of high-entropy FeCoNi₂Al_0.9 alloy by ultrasonically refining eutectic structures”為題發表在金屬材料著名期刊Scripta Materialia期刊上。

三、核心創新點

(1) 創造性的將超聲波干預技術應用在高熵合金凝固過程中，從而有效細化合金的組織；

(2) 發明穩態空位和超聲波流是調控組織的關鍵；? ? ?

四、數據概覽

圖1 高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的熱重分析及相組成:(a) DSC曲線;(b) XRD圖譜;(c)動態凝固時間隨超聲振幅的變化;(d) 13 μm振幅的超聲凝固聲強變化。? 2022 Elsevier

圖2 不同凝固條件下高熵FeCoNi₂Al_0.9合金凝固組織特征:(a)靜態凝固過程中共晶組織形成的BSE圖像;(b) 加13 μm振幅超聲場下共晶結構的BSE圖像;(c)共晶結構特征尺寸隨超聲振幅的變化;(d)靜態試樣和13 μm超聲振幅試樣中α和γ相的晶格常數。? 2022 Elsevier

圖3 不同凝固條件下高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的結晶取向:(a)靜態凝固的EBSD相分布圖;(b)靜凝固合金中共晶界面的極點圖和取向差分布;(c) 13 μm振幅超聲場內動態凝固的EBSD相分布圖;(d) 13 μm超聲凝固后共晶界面的極點圖和取向差分布。? 2022 Elsevier

圖4 高熵FeCoNi₂Al_0.9合金共晶組織中溶質分布特征:(a)靜態凝固合金中的線掃描;(b)動態凝固合金在13 μm振幅超聲場中的線掃描;(c)靜態凝固和超聲凝固后的最大和最小濃度;(d)靜態凝固和超聲凝固合金的偏析程度。? 2022 Elsevier

圖5 靜態和超聲凝固條件下高熵FeCoNi₂Al_0.9合金的力學性能:(a)拉伸應力-應變曲線;(b)屈服強度、抗拉強度和延伸率隨超聲振幅的變化;(c)本研究和文獻中具有共晶結構的鑄造高熵合金屈服強度-總伸長率圖;(d)這種合金與其他具有共晶結構的靜態高熵合金的極限抗拉強度的比較。? 2022 Elsevier

五、成果啟示

超聲共振是一種新型的合金處理技術，可以在液-固，固-固和液-液等條件下有效干預合金的組織，從而實現力學性能的調控。通過本文的研究成果，我們可以將超聲技術擴展至更大的范圍。

論文詳情：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.115154

本文由虛谷納物供稿