煙臺大學Acta Materialia：從最佳固溶強化和應力輔助沉淀過程中獲得非等原子高熵合金優異的抗蠕變性能

一、導讀

出于環境和經濟方面的考慮，火電廠不斷面臨提高運行效率和減少溫室氣體排放的挑戰。常規火力發電廠的效率在很大程度上取決于蒸汽的溫度和壓力。通過將蒸汽溫度從866 K提高到973 K，效率可以從47%(即目前最先進的工廠的典型效率)提高到55%。然而，如果沒有結構材料性能的提升，這種改進就無法實現。商用鐵素體鋼的鍋爐、蒸汽輪機和燃氣輪機在高溫下的抗蠕變能力有限，只能在893 K以下運行。因此，為了提高火電廠的熱效率，需要開發新的合金來實現更高的運行溫度。

近年來，新型高熵合金(HEAs)受到了廣泛的關注，由于其在極端環境下具有顯著的高溫強度(甚至優于某些高溫合金)、良好的抗輻照和抗氧化性能，極具應用前景。較大的成分可調性為開發具有不同優越性能的先進合金帶來了機會，無窮無盡的組合池也為設計具有目標屬性的HEAs帶來了新的挑戰。從以往的研究來看，與體心立方晶格（BCC）結構相比，面心立方晶格（FCC）結構的HEAs具有成本低、抗氧化和抗腐蝕能力強、組織可調、高溫強度高等優點，是最有潛力的抗蠕變合金設計候選材料，所以本工作將重點對具有FCC結構的HEAs進行系統的研究。熵值合金盡管具有單相固溶性質，但只表現出與沉淀強化鐵素體合金相當的蠕變性能。此外，許多HEAs在長期退火后被發現存在許多不連貫的第二相，降低了壽命，從而阻礙了它們在高溫下的使用。因此，需要尋找一種具有優異抗蠕變性能的潛在候選材料，用于化石能源發電廠的高溫應用。

二、成果掠影

煙臺大學陳淑英副教授聯合美國田納西大學和橡樹嶺國家實驗室主導研究了Al_0.3CoCrFeNi合金在973-1033K條件下的蠕變行為。該合金在高溫長時加載條件下展現出極其優異的耐蠕變性，比如最小蠕變率比已報道的高熵合金和部分傳統合金低至1-4個數量級。研究者利用原子探針斷層掃描(APT)和透射電子顯微鏡(TEM)等一系列表征工具，證明了在退火過程中廣泛存在的B2析出相在蠕變變形的早期階段被抑制。合理耦合之間的應用應力和晶格失配，出現亞穩和相干L1₂沉淀物，并提供顯著的蠕變強化。在973~1033 K范圍內，應力指數和活化能分別為3~6.53和390~548.2 kJ?mol^-1。

相關研究工作以“Extraordinary creep resistance in a non-equiatomic high-entropy alloy from the optimum solid-solution strengthening and stress-assisted precipitation process”為題發表在國際頂級期刊Acta Materialia上。

三、核心創新點

本文制備的非等原子Al_0.3CoCrFeNi HEA具有優異抗蠕變能力，其中蠕變應變率比Cantor合金及其亞族合金低幾個數量級。作者創新性地提出利用沉淀強化相大幅提高合金的蠕變強度。初始的單相面心立方結構在長時間高溫加載環境下形成了大量L1₂與B2析出相，在合金的高溫變形中起到了顯著的強化作用，實現了蠕變壽命延長和高溫蠕變率的降低。目前的工作為設計具有更好抗蠕變性能的新型HEAs提供了一條途徑。

四、數據概覽

圖1 蠕變試驗前Al_0.3CoCrFeNi合金的組織特征。(a)反向極點圖。(b)相圖。(c)單個元素圖，分別包括Al、Co、Cr、Fe和Ni。? 2022 Acta Materialia Inc.

圖2 (a)在65、75、85和110 MPa的應力作用下，Al_0.3CoCrFeNi合金蠕變曲線在973-1033 K的溫度范圍內蠕變。(b) CoCrFeMnNi、CoCrFeNi、CoCrNi和Al_0.3CoCrFeNi合金的應力與破裂時間的比較。? 2022 Acta Materialia Inc.

圖3 Al_0.3CoCrFeNi蠕變試驗的APT重建在973 K和75 MPa下中斷，中斷時間不同:(a)中斷50 h。(b) 100 h。(c) 150 h。和(d)250 h。? 2022 Acta Materialia Inc.

圖4 不同應力作用下973 K蠕變試樣的斷裂形態。(a)55 MPa，(b) 75 MPa，(c) 100 MPa。? 2022 Acta Materialia Inc.

圖5 (a)施加應力與穩態應變率的雙對數圖。(b)Al_0.3CoCrFeNi合金穩態蠕變率與溫度倒數的對數圖? 2022 Acta Materialia Inc.

圖6 常規合金和HEAs穩態蠕變速率與外加應力曲線的比較。? 2022 Acta Materialia Inc.

五、成果啟示

本文研究了非等原子Al_0.3CoCrFeNi HEA在973~1033 K溫度范圍內的典型拉伸蠕變行為。原生單一FCC固溶體在連續加載和長時間高溫下不穩定，在FCC基體中分解為富Cr相、L1₂相和B2相。由于B2相與基體有較大的收縮晶格不匹配，因此施加的拉應力抑制了B2相的形成，從而導致許多相干L1₂粒子的出現，增強了蠕變性能。在蠕變試樣中觀察到密集的位錯環、堆積的位錯纏結和堆積斷層。應力指數和活化能分別為3~6.53和390~548.2 kJ?mol^-1。結合TEM分析，在973 K時，蠕變變形主要由L1₂粒子位錯和位錯-滑移主導。隨著蠕變過程進行到后期，產生了越來越多的B2沉淀，取代了L1₂沉淀，成為移動位錯的主要障礙。當溫度提高到1033 K時，位錯滑動機制得以維持。與其他常規合金相比，由于它們明顯的析出強化和基體的層錯能低,Al_0.3CoCrFeNi HEA的最低蠕變率、高應力指數和活化能均有顯著降低，表明其高溫性能有顯著改善。這種應力選擇沉淀過程(即L1₂ / B2)為我們未來抗蠕變材料的設計提供了一種新的策略。

原文詳情：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118600

本文由張熙熙供稿。