Rare Metals 哈工大（深圳）谢国强：设计与制备具有优异比强度的轻质AlCrFeNiTix复杂成分合金

     2024年05月14日

【背景介绍】

能源和航空航天行业正朝着低碳和节能的趋势发展，对低成本和低密度的传统高温合金提出了新的要求。高熵合金（HEAs）和复合复杂合金（CCAs）的出现迎合了开发新型轻质高温合金的机会。然而，强度和延展性之间的权衡以及密度的同时折衷对合金设计提出了巨大挑战。为了超越单相固溶体HEAs的结构限制并实现新的性能平衡，研究人员最近将注意力转向CCAs的开发。这种创新方法已成为高温应用材料领域的一个有前景的方向。近年来，在材料设计领域，将有序相集成到传统HEA中以提高性能已经引起了相当大的关注。值得注意的是，B2结构的FeAl、D03结构的Fe3Al和L12结构的Ni3Al由于其良好的特性，包括成本效益、低密度和显著的耐高温氧化性，已被广泛研究和报道。除了这些优势外，B2结构的AlNi作为A2相的有序变体，由于其优异的高温蠕变性能，已成为一个突出的研究焦点，进一步增强了其在各种应用中的潜力。最近的研究表明，采用混合焓法作为设计策略，可以通过精细的元素掺杂来优化B2结构AlNi金属间化合物的耐高温蠕变性能。这种有意的合金化策略导致在富NiAl区域（B2相）内沉淀出一种新的相群Ni2AlX，从而提高硬度和强度。其中Ti元素的引入触发了Al-Fe和Al-Ni系统内的相变，可以导致L21结构的Hausler相的形成，并且L21单相（Ni2AlTi）和B2-L21双相（NiAl-Ni2TiAl，β-β'）结构都表现出了值得称赞的高温蠕变阻力，与镍基高温合金γ-γ'结构相当。本工作通过理论计算、实验制备和机械测试相结合的方法，用Ti战略性地取代昂贵元素Co，构思出基于AlCrFeNi的新型轻质CCA，研究并制备出具有优异比屈服强度的AlCrFeNiTix CCAs。

【原文摘要】

这项研究的重点是成分复杂合金（CCAs），旨在为新能源和航空航天应用实现高强度和低密度之间的平衡。采用密度泛函理论和热力学计算的理论设计，指导了AlCrFeNiTix CCAs的组成。大块CCAs，特别是AlCrFeNiTi0.25合金，表现出优异的比屈服强度（1640.8MPa）和22.7%的最大应变。Ti元素的结合促进了轻质和高强度L21相的形成，有助于整体的高比强度。晶界强化、固溶体强化、奥罗万强化和佩尔斯流变应力的协同作用实现了强度的进一步提升。对断裂过程中微观结构变化的探索揭示了有序相在抑制裂纹扩展和吸收无序相中能量方面的作用，从而提高了CCAs的韧性和断裂抗力。这些方法和发现为推进新型轻质CCA的开发奠定了坚实的基础。

 

【文章亮点】

1.通过理论计算、实验制备和力学测试相结合的方法，研究了AlCrFeNiTix CCAs的协同开发。

2.通过调节Ti含量实现轻质、高强度L21相调控，制备出1640.8MPa屈服强度、6.53g·cm-3密度和22.7%压缩应变的优异性能。

 

【内容简介】

日前，哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院的谢国强教授课题组在Rare Metals上发表了题为“Design and fabrication of lightweight AlCrFeNiTix compositionally complex alloys with exceptional specific strength”的研究文章，使用理论计算、实验制备和机械测试相结合的方法，制备了具有优异比屈服强度的轻质AlCrFeNiTix 复杂成分合金材料。

通过电子密度泛函理论（DFT）进行了研究，以计算确定B2相变，并阐明Ti掺杂引起的性能变化。由此设计出Ti掺杂含量，通过电弧熔炼技术成功制备AlCrFeNiTi CCAs，并研究了Ti含量对AlCrFeNiTi CCAs组织、物理性能和力学性能的影响，以及通过调控B2和L21相的组合，实现了材料比屈服强度和塑性之间的新平衡。

 

【图文解析】

图1 (a) B2和L21相的自由能随Ti含量的增加而变化；(b) B2和L21相的G/b和v随Ti含量增加而变化；(c) B2和L21相的HV随Ti含量升高而变化；(d) AlCrFeNiTix CCAs相图的垂直截面

如图1所示，DFT用于预测Ti掺杂对有序相变和物理性能的影响，通过建立两个模型计算出的不同Ti浓度的形成能（图1（a））证实了对L21结构的倾向，表明添加的Ti原子倾向于取代B2有序晶胞中的Al原子，从而形成L21相。Ti元素的引入增加了B2结构的脆性，而形成的L21相表现出比B2相更高的韧性。此外，具有不同Ti原子含量的结构中B2相显示出更高的硬度。为了实现具有一定塑性的更轻、更强的材料，优化B2和L21相之间的协同效应，AlCrFeNiTix CCAs相图的垂直截面（图1（d）），使用Pandat软件计算，有助于选择合适的Ti含量进行实验制备。随着Ti含量的增加，AlCrFeNiTix CCAs的相组成从BCC+B2转变为BCC+B2/L21，并最终转变为BCC+L21。然而，Ti含量超过20at.%会导致不希望的脆性Laves相的形成，对CCAs的性能产生不利影响。因此，基于综合考虑，设计了AlCrFeNiTix（x=0,0.25,0.5,0.75,1）CCAs合金用于后续的实验制备。

图2 (a) AlCrFeNiTix CCAs的XRD图谱；(b) 2θ角度范围在42到46度之间的详细示意图

如图2所示，AlCrFeNiTix CCAs的相组成主要包括BCC和有序的B2（β-NiAl）/L21（β'-Ni2TiAl）相。在不存在Ti的情况下，有序B2相和无序BCC相的衍射峰在约44.5°处呈现重叠，表明这两个相的晶格常数非常相似。衍射峰重叠现象产生于调幅分解。随着Ti含量的增加，衍射峰呈现出明显的加宽趋势，最初逐渐增大，随后逐渐减小。同时，基体的晶粒尺寸经历细化阶段，随后经历粗化阶段。当Ti浓度从0增加到20at.%时，BCC相的计算晶格常数从0.2882nm扩展到0.2909nm，这意味着由于Ti原子部分掺入BCC固溶体而导致的晶格畸变的发生。因此，在AlCrFeNi合金中引入Ti会产生双重效应。一方面，它取代了B2-AlNi相中的铝（Al）原子，促进了L21-Ni2AlTi相的形成。另一方面，Ti牢固地溶解在BCC基体中，从而引起晶格畸变。此外，当Ti含量达到20at.%时，少量的金属间化合物（如Laves相）在晶界处开始形成，并且在图2（b）所示的Ti1.00合金中可以辨别出它们各自的衍射峰。

图3 (a )和(b) AlCrFeNiTix CCAs的硬度密度随Ti含量的增加而变化；(c) AlCrFeNi Tix CCA的压缩应力-应变曲线；(d) CCAs的比屈服强度随Ti含量增加的变化；(e) 报道的CCAs和HEAs比屈服强度总结

图3总结了AlCrFeNiTix CCAs 的硬度、密度、压缩应力-应变曲线、比屈服强度随Ti含量的变化结果。结果表明，Ti含量的增加导致AlCrFeNiTix CCAs的硬度显著提高，这归因于固溶体强化和Laves相的存在。密度逐渐降低，归因于低密度Ti元素掺入合金中。室温下应力-应变曲线表明，合金的机械性能随着Ti含量变化而发生显著变化，主要是Ti元素的强化效果以及对BCC、B2、L21以及Laves相共同作用的结果。特别是Ti0.25 CCA表现出优异的SYS（251.1 MPa·cm3/g）和良好的塑性（17.8%）,并在现有报道的轻质HEA和CCA中具有优异表现。

 

【全文小结】

1.通过密度泛函理论和热力学计算的理论设计结合实验制备出具有优异比屈服强度的轻质AlCrFeNiTix CCAs；

2.引入Ti元素取代昂贵元素Co，由于协同效应，包括晶界强化、固溶体强化、奥罗万强化和佩尔斯流变应力，所得到的AlCrFeNiTix CCAs表现出优异的比屈服强度为251.1 MPa·cm3/g；

3.变形过程中的微观结构分析阐明了Ti0.25合金的失效机制，突出了有序B2/L21相在承受外应力、促进载荷传递、抑制裂纹扩展方面的有效性，以及提高韧性和抗断裂性。无序BCC相中的纳米沉淀有序颗粒减少了大尺寸B2/L21相之间的间距，从而放大了Orowan强化效果，有望为各种行业提供具有优异力学性能的新型轻质材料。

 

【作者简介】

谢国强，哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院教授、博士生导师。主要从事先端材料（金属玻璃·高熵合金及其复合材料、生物医用金属材料、多孔材料等）的开发和应用研究，粉末冶金工艺研究，核材料研制、辐照损伤，以及材料表面改性等研究。在金属材料学、粉末冶金、材料辐照损伤等领域做出了多项原创性研究成果。作为项目负责人主持科研项目30余项，作为主要骨干成员参与重大科研项目15项。在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Small、Journal of Materials Science & Technology等学术刊物上发表论文400多篇，其中300多篇为SCI收录论文。由Springer等世界著名的学术出版公司出版的合著专著15部（英文12部，日文3部)，申请发明专利23项，获科研成果奖励12项。