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焦耳热资讯

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双相高熵合金工艺新进展:30 秒闪速焦耳退火优化TRIP型高熵合金的力学性能

点击:0 时间:2025-07-22 08:48:36

近日,山东大学宋凯凯教授、中北大学闫志杰教授团队Journal of Alloys and Compounds》上发表了题为“Tailoring heterogeneous grain and phase distributions to enhance mechanical properties of TRIP-type Fe50Mn30Co10Cr10 high-entropy alloys through flash Joule annealing”的论文,通过对比闪速焦耳退火(FJA)传统慢速退火(SA)对冷轧Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀双相高熵合金的处理效果,发现FJA能通过细化晶粒、调控FCC/HCP相比例及异质分布,在提升合金屈服强度和抗拉强度的同时,有效平衡塑性,为TRIP型高熵合金的性能优化提供了高效工艺路径。
【研究背景】

1.高熵合金的性能矛盾:高熵合金因多主元特性具备优异综合性能,但仍面临强度与塑性难以兼顾的共性问题。

2.TRIP型合金的特殊价值Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀双相高熵合金可通过TRIP/TWIP效应实现强塑平衡,是当前研究的重点方向。

3.传统工艺的改进需求:传统慢速退火易导致晶粒粗化,而闪速焦耳退火(FJA)在晶粒细化方面潜力显著,其在该类合金中的应用待探索。

【研究方法】

1.材料制备流程:以纯度>99.9 wt%的纯金属为原料,经电弧熔炼制备Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀合金锭,重熔5次以上保证均匀性;再经高频感应炉铸造为60×30×30 mm板材,线切割成60×10×2 mm规格。板材先在1473 K下均质化24 h(氩气保护,水淬),再冷轧至厚度减少~45%,作为实验基材。

2.两种退火工艺对比:FJA工艺:采用Gleeble-3500C热模拟机,以100 K/s速率加热至973 K或1173 K,保温30 s后氩气冷却,样品为5×1.1×30 mm扁平狗骨形,取中心均匀区域测试。SA工艺:采用马弗炉,以0.167 K/s速率加热至相同温度,保温30 s后水淬。另设673 K退火组研究逆马氏体相变,每组实验重复3次。

3.表征与测试手段:用ZEISS Sigma500扫描电镜(带EBSD)分析晶粒尺寸、相分布及晶界类型(HAGBs:θ≥15°;LAGBs:2°≤θ≤15°);通过SUNS UTM5015拉伸机测试力学性能(初始应变率5×10⁻⁴ s⁻¹),配合DIC技术观察应变分布,样品为2.5×1.1×6 mm扁平狗骨形,每组重复3次。

【研究结果】

1.强度提升效果显著:973 K时,FJA样品屈服强度达556±27.8 MPa,较SA样品(367.4±18.4 MPa)提升51%;1173 K时,FJA样品强度仍高于SA,且塑性仅下降2.4%(42.8% vs 45.2%)。

2.微观结构优化是核心原因:FJA处理使晶粒更细(973 K时3.73 μm vs SA的4.56 μm),HCP马氏体相占比更高(1173 K时78.5% vs SA的56.7%),且晶粒与相分布异质性更显著,通过Hall-Petch效应和应力分区强化性能。

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图1.SA973 微观结构特征

3.变形机制协同作用:塑性变形由位错增殖、TRIP(FCC→HCP相变)和TWIP(孪生)共同调控,细晶粒阻碍变形,粗晶粒发生孪生,实现高强度下的良好塑性。

【展望】

1.拓展至更多合金体系:探索FJA在含Al、Ti等高熵合金中的适用性,优化复杂成分体系的微观结构。

2.精细化工艺参数:研究加热速率、保温时间的影响,建立“工艺-结构-性能”关联模型,为生产提供参数指导。

3.推动工业化应用:解决大规模均匀加热问题后,FJA有望替代传统工艺,助力高熵合金在高端制造领域的应用。

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