电脉冲下Al0.5CoCrFeNi高熵合金中L12相的快速析出

Rapid precipitation of L1₂ phase in Al_0.5CoCrFeNi high-entropy alloy under electropulsing

电脉冲下Al_0.5CoCrFeNi高熵合金中L1₂相的快速析出

第一作者: Zhicheng Wu | 通讯作者: Xiaofeng Xu

吉林大学汽车材料教育部重点实验室，材料科学与工程系

DOI: 10.1080/21663831.2025.2471963

期刊: Materials Research Letters | 发表年份: 2025

论文亮点

在电脉冲处理下，Al0.5CoCrFeNi高熵合金中快速引入了共格的L12纳米析出相，仅需1.8秒

突破了传统热处理需要低温长时间老化的认知，实现了强度和延展性的更好组合

研究背景

高熵合金(HEAs)因其优异的断裂韧性和延展性受到广泛关注，但单相HEA屈服强度较低

Al_0.5CoCrFeNi HEA具有FCC+BCC双相结构，表现出高强度和高应变硬化能力

传统热处理下，L1₂相需要在800°C以下老化4-200小时才能形成，动力学过程缓慢

研究方法

1. 材料制备：铸造Al_0.5CoCrFeNi高熵合金样品，在1200°C保护气氛中均匀化处理6小时后水淬

2. 冷轧处理：室温下进行约78%减薄率的冷轧，制备成45×10×1 mm的样品

3. 热处理：部分样品采用常规热处理(HT)，以10°C/min速率加热至800°C后水淬(CRH样品)

4. 电脉冲处理(EPT)：使用自制电脉冲设备，最大电流密度约2.9×10⁷ A/m²，频率50Hz

5. 温度控制：使用红外测温仪(响应时间10ms)监测EPT过程中的温度变化

6. 等温处理：CRH样品在900°C下进行1.3、3和5分钟的等温处理后水淬

7. 微观结构表征：使用SEM、EBSD、TEM和EDS分析样品微观结构和成分

8. 力学性能测试：使用MTS-810测试机进行室温拉伸试验，应变速率10^-3 s^-1

主要结论

通过电脉冲处理，在Al_0.5CoCrFeNi高熵合金中快速获得了FCC+B2+L1₂多相结构

L1₂纳米析出相分布在再结晶区(RX)和未再结晶区(URX)中，显著提高了材料性能

电脉冲处理打破了传统沉淀序列，建立了新的沉淀竞争关系，实现了强度和延展性的协同提升

图1: SEM和EDS分析结果

图1. (a,a₁)CR, (b,b₁)CRH, (c,c₁)CRH-H900和(d,d₁)CRH-E900的SEM和EDS图像。(a₁-d₁)是从(a-d)拍摄的高倍SEM图像

分析结果：

SEM分析显示，冷轧样品(CR)呈现FCC+B2双相微观结构，B2相较为粗大，未发现细小析出相。经过热处理后，CRH样品中出现未析出和已析出区域，在析出区域可以观察到细小析出相。CRH-H900和CRH-E900样品均显示析出区域增加，但CRH-E900样品中析出相的尺寸明显小于CRH-H900样品。

图2: EBSD分析结果

图2. (a-a₂)CRH, (b-b₂)CRH-H900和(c-c₂)CRH-E900的EBSD相图、晶粒取向扩展(GOS)和GNDs图。(d)CRH-ISO1, (e)CRH-ISO3和(f)CRH-ISO5的EBSD相图(在RX中)。(g)再结晶区中B2和σ相的平均相分数(RX-B2, RX-σ)和尺寸(d)(排除直径大于1μm的B2析出物)，(g,h)FCC相的再结晶和未再结晶百分比(RP-FCC, URP-FCC)和GNDs密度

分析结果：

EBSD分析表明，不同样品的微观结构可分为完全再结晶区域(RX)和未再结晶区域(URX)。RX由FCC+B2+σ相组成。与CRH相比，CRH-H900和CRH-E900样品的FCC相再结晶百分比(RP-FCC)增加，RX中B2相分数增加而σ相分数显著减少。由于加热时间较短，CRH-E900样品中RX的平均FCC和B2相尺寸较小，而σ相较粗大。URX含有高几何必要位错(GNDs)，经过HT和EPT处理后，GNDs和未再结晶FCC百分比(URP-FCC)减少。

图3: TEM分析结果

图3. (a-a₃)CRH, (b-b₂)CRH-H900和(c-e)CRH-E900的TEM明场图像(BF-S)和HAADF-STEM图像(DF-S)以及相应的SAED图、EDS和HRTEM图案。(a₁),(b₂)和(c₁)分别对应于(a),(b₁)和(c)。(a₂)和(c₂)带有相应的SAED图(a₃)和(c₃)分别取自(a)和(c)。(d₃)带有相应EDS的DF-S取自(d)的绿色线框。(e₁)和(e₂)HRTEM(带有FFT图案)取自(e)

分析结果：

TEM分析证实CRH样品由RX和URX组成，通过EDS和SAED可以确定RX中的FCC+B2+σ(Cr-rich)相，B2析出物中Al和Ni的原子比为1:1，未发现L1₂相。与CRH相比，CRH-H900样品由较高比例的RX组成，含有FCC+B2+σ相。对于CRH-E900样品，在RX中也发现了FCC+σ+B2相。值得注意的是，在CRH和CRH-H900的URX中未发现元素富集，而EDS分析显示CRH-E900样品的URX中分布有大量富Al和Ni的纳米析出物。(Ni+Co):Al的原子比接近3:1，表明这些纳米析出物是L1₂相。此外，[111]和[112]FCC区域轴的额外超晶格反射也证实了L1₂相的存在。HAADF-STEM图像显示L1₂析出物在URX中均匀分布，并且在RX的晶界和晶内区域也发现了L1₂纳米析出物。

图4: 机理示意图与力学性能

图4. (a)EPT和HT过程中沉淀演化示意图。(b)工程应力-应变曲线。(c)各种处理条件后的强度和断裂伸长率。(d)TEM BF, (e)和(f)拉伸测试后CRH-E900样品的HRTEM(带有相应的FFT和逆FFT图像)图案

分析结果：

图4(a)展示了EPT和HT过程中沉淀演化的示意图。在HT(800-900°C)下，由于相形成温度和时间的差异，B2相主要在晶界处异质沉淀，σ相逐渐溶解，而L1₂相不出现。相比之下，EPT通过热和非热效应的结合，打破了原有的沉淀序列，促进了L1₂和B2相的快速异质沉淀。

力学性能测试显示，CRH-E900的屈服强度(YS)和极限抗拉强度(UTS)分别为约1.18GPa和1.39GPa，高于CRH-H900的约985MPa和1.21GPa。CRH-E900的断裂伸长率(EL)约为14.6%，显著高于CRH样品的约7.0%。强度和延展性的差异归因于FCC基体、析出物和位错的强化和应变贡献。L1₂相在协调塑性变形方面发挥关键作用，有效地减轻了URX中严重的位错积累和应变局部化。

拉伸测试后的TEM分析显示，在析出物附近的无沉淀区域存在大量位错缠结和纳米孪晶。FCC/L1₂界面处存在高密度位错，析出物附近部分纳米孪晶的宽度为1.34-2.31nm。这些结果表明，共格L1₂纳米析出物可以提高强度并更好地协调合金的塑性变形。

图5: 补充分析结果

图5. 补充分析结果

分析结果：

补充分析进一步证实了EPT处理对Al_0.5CoCrFeNi高熵合金微观结构的影响。与常规热处理相比，电脉冲处理能够显著加快相变动力学，促进L1₂纳米析出相的形成。这些析出相不仅分布在晶界区域，还在晶内区域形成，表明EPT处理提供了更高的元素扩散速率和更低的形核能垒。

此外，EPT处理还影响了位错结构和再结晶行为。与常规热处理相比，EPT处理后的样品显示出更细小的晶粒尺寸和更均匀的析出相分布，这有助于提高材料的综合力学性能。通过协调多相(FCC+B2+L1₂)和位错的联合作用，EPT处理成功实现了高熵合金强度和延展性的同时提升。