【新能源前線】上海大學Adv. Sci：粗晶超塑性領域取得重大突破

一、導讀

超塑性現象對于合金的復雜成形，如精密零件的塑性加工等非常重要。通過開發超細晶/納米結構材料，許多合金都可通過晶界滑動獲得超塑性。獲得超細/納米晶粒需要額外的晶粒細化工藝，此過程復雜且成本高，如高壓扭轉、攪拌摩擦加工或等通道角擠壓等，這極大地限制了這些材料的經濟可行性。此外，為了避免在變形過程中晶粒生長，需要低溫超塑性成形。事實上，這些問題可以通過開發晶粒尺寸大于15 μm的高強度粗晶粒來潛在地解決。研究表明：粗晶高熵/中熵合金(HEAs/MEAs)的超塑性機制不再是常規的晶界旋轉。另外，高熵/中熵合金往往具有相對較高的密度，這限制了它們的應用，例如結構航空材料。輕質HEAs/MEAs (LWHEAs/MEAs)是一種新興的結構材料,其密度均在1.5-6.5g. cm^?3范圍內。因此，它們具有相當大的潛力作為下一代航空結構材料。然而，大多數LWHEA材料不適合加工成復雜形狀，因為它們在環境溫度下的延展性有限，而且它們在高溫下的超塑性文獻很少。針對這些問題，本文則給出了非常好的解決方案。

二、成果掠影

近日，來自上海大學的孫康博士和王剛等人首先在Ti_43.3V₂₈Zr₁₄Nb₁₄Mo_0.7, at.%合金中實現了粗晶超塑性。該合金的顯微組織由少量超細顆粒微結構嵌入在體心立方基體中組成。在1173 K應變速率為10^-2 s ^{- 1}的條件下，該合金具有高達≈440%的塑性，屈服強度約為1GPa。 這種合金的位錯滑移、動態再結晶和晶界滑移順序不同于傳統細晶粒材料的連續晶界滑移觸發超塑性的變形機制，而是由位錯滑移，再結晶，晶界滑動三個連續的機制順序啟動來完成。本研究結果為高速超塑性成形開辟了一條途徑，將超塑性材料擴展到高強度領域，并可以指導新合金的開發。相關成果以“Efficient Coarse-Grained Superplasticity of a Gigapascal Lightweight Refractory Medium Entropy Alloy”為題發表在Advanced Science期刊上。

三、核心創新點

(1) 首次的輕質中熵合金中利用粗晶實現了超塑性，打破了傳統的認識；

(2) 發現粗晶超塑性的新機制；

四、數據概覽

圖1 LRMEA樣品的顯微組織和力學性能。a) EBSD IPF圖;b) XRD圖譜;c)根據三種不同IPF圖計算的晶粒度分布;d) BSE圖像顯示基體內部鑲嵌的顆粒;e)顯示有序相粒子形態的STEM圖像;f)顯示BCC基體和有序相粒子的元素分布STEM-EDS線剖面;g) <110>方向BCC基體和有序相的HRTEM和相應的FFT圖像;H)室溫拉伸工程應力-工程應變曲線;i)之前在室溫下報告的BCC、FCC、HCP、BCC+HCP、FCC+BCC高熵/中熵合金屈服強度與密度的圖。? The Authors

圖2 LRMEA樣品的超塑性行為。a)溫度為973、1073和1173 K，應變速率為10^?3和10^?2 s^?1下的拉伸工程應力-應變曲線;b)在溫度為973、1073和1173 K，應變速率為10^?2 s^?1條件下斷裂的試樣圖像;c)在1173 K條件下，5 × 10^?4、1 × 10^?3、5 × 10^?3和1 × 10^?2 s^?1應變速率下的應力-應變、σ -ε、曲線和應變率敏感性(m)值，其中n = 1/m為應力指數;D)粗晶粒超塑性變形后試樣的硬度分布;(d)硬度測試和硬度壓痕的形貌;E)粗晶超塑性鎂合金、粗晶超塑性鋁合金、粗晶鈮合金、粗晶超塑性金屬間化合物和粗晶超塑性鈦合金在高應變率(10^?2 s^?1)下的屈服強度與超塑性延伸率。? The Authors

圖3 在溫度為1173 K、應變速率為10^?2 s^?1條件下，變形試樣的組織演變分別為階段I (ε≈20%)、階段II (ε≈200%)和階段III (ε≈400%)。a,d,g) IPF圖，其中插圖表示晶體方向;b,e,h)與(a)， (d)， (g)中IPF對應的KAM映射。c)階段I的TEM-BF圖像;f) (d) DRX映射;i) (h)中所選區域對應的SEM圖像;j)超塑性變形后粗晶界的SEM圖像;k) TEM-BF圖像顯示在富Zr粒子邊界處存在許多納米相;l)顯示富Zr粒子和納米相的HRTEM圖像;A區位于富Zr粒子中;區域B位于基體中;區域“C”位于納米相中。? The Authors

圖4 a-e)當拉伸應變增加0、≈20%、≈100%、≈150%和≈200%時，粗粒LRMEA試樣變形過程的EBSD表征和示意圖。f)粗晶粒區亞晶粒和DRX晶粒帶示意圖;G)粗晶粒變形機理示意圖;h)顯示細DRX晶粒帶中晶界滑動的示意圖。? The Authors

五、成果啟示

本文發現的新機制可以進一步指導新型高強度、粗晶超塑性材料的反向設計與開發。為高效的超塑性成形開辟了新道路，并且將粗晶超塑性材料應用拓寬到輕質-高強度領域。

論文詳情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207535

本文由虛谷納物供稿