近期，我院张涛教授团队，在高强韧耐腐蚀中/高熵合金和钨合金的制备与机理研究方面取得了新进展，相关研究成果相继发表在金属材料领域国际权威期刊《Scripta Materialia》、《Rare Metals》和《Journal of Materials Research and Technology》（中国科学院一区）上。

 

近年来，先进结构材料领域迅速发展，但是同时提高传统合金的强度和塑性仍然非常具有挑战性，而高/中熵合金的出现，为设计和制备高强韧合金提供了新的思路。其中，单相FCC CoCrNi中熵合金是设计高强度和塑性的理想基础合金，但其屈服强度较低，难以满足工程应用的需求。在最近的报道中，固溶强化、晶粒细化、析出强化、异质组织构建等方法，能够显著提升CoCrNi基中熵合金的强度和塑性。然而，在固溶强化和析出强化中，脆性相的析出往往会恶化合金的塑性。此外，大多数强化策略，特别是通过晶粒细化和异质结构构建的强化策略，不可避免地需要采用大变形轧制，然后退火进行组织细化来最终提升中熵合金性能，这不仅会增加能耗，而且不利于碳中和。因此，亟需开发新的制备方法来实现CoCrNi基中熵合金的强度-塑性的协同提升。

在我们的工作中，避开 “轧制+退火”的传统制备方法，报道了一种基于超声振动辅助成形的新方法，以同时提高C掺杂CoCrNiC_0.1合金的强度和塑性。通过将超声振动施加在CoCrNiC_0.1合金上并保载25min，合金的屈服强度、拉伸强度和总伸长率提升至530MPa、950MPa和36.5%，相比于原始态，分别提高了77%、28%和53%。通过对超声处理后CoCrNiC_0.1合金的微观组织分析，结果表明，超声振动诱导的细小Cr7C3网状碳化物（20μm）的晶内析出，是强度-塑性协同提升的主要原因。我们的工作为实现沉淀强化熵合金的强度-塑性协同提升提供了一条有效的新途径。相关研究成果以“Ultrasonic provoked network-like intragrain carbide precipitations strengthen and ductilize a C-doped CoCrNi medium entropy alloy”为题目发表在金属材料领域顶刊Scripta Materialia上，论文第一作者为广州大学李足副教授。

   

图1 (a) 超声辅助成形装置示意图；(b-d) CoCrNiC_0.1中熵合金的原始态形貌；(e-g) 超声辅助加载25min后CoCrNiC_0.1中熵合金的形貌

 

   

图2 (a) 超声辅助加载不同时间后CoCrNiC_0.1中熵合金的拉伸应力-应变曲线；(b) CoCrNiC_0.1中熵合金的原始态和超声加载后的变形机制

 

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223003561

 

AlxCoCrFeNi系列高熵合金因其优异的机械性能、抗氧化性、耐蚀性能受到广发关注。其中添加Al元素诱发复杂相变过程导致合金形成复杂的微观结构：例如，相含量、分布和取向关系不同，传统电化学方法难以分辨与检测合金局部腐蚀信息。本研究通过采用XRD、EBSD、SEM、EDS方法确定合金中BCC与FCC相比例、分布及其主要成分，结合扫描振动电极技术（SVET），联用SKPFM及多种表面分析方法，实时原位监测AlxCoCrFeNiC_0.01（x=0.2、0.7和1.2）局部腐蚀过程，阐明Al元素添加量改变对其耐蚀性能的影响规律。研究发现，Al元素添加量的改变，显著影响合金的相比例及其对应的微观结构，不同相呈现不同的电化学响应。由于合金组分改变产生的贫铬区和富铬区之间形成微电偶腐蚀原电池，诱导AlxCoCrFeNiC_0.01HEAs表现为局部腐蚀特征，耐蚀性能顺序为Al_0.2＞Al_1.2＞Al_0.7HEAs。上述研究成果由张涛教授团队和化学化工学院郭兴蓬教授团队合作完成，相关成果以“Insight into the microstructure evolution on anti-corrosion property of AlxCoCrFeNiC_0.01high entropy alloys using the scanning vibration”为题发表在著名学术期刊Rare Metals上，论文第一作者为广州大学廖伯凯副教授。

   

图3 AlxCoCrFeNiC_0.01高熵合金的电化学腐蚀行为

 

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s12598-023-02322-z

 

通过等通道角挤压（ECAP）结合分子动力学模拟研究了CoCrNi中熵合金在室温（RT）和低温（CT）下以及变形后退火（PDA）的的微观结构和力学性能的 影响机制。结果发现温度影响合金的变形机制、位错、堆垛层错、变形孪晶和FCC-HCP相变。具体表现为，ECAP-CT样品的位错密度明显高于ECAP-RT样品；然而，ECAP-RT样品表现出独特的变形特征，如扭转带和多级孪晶结构，从而产生了动态晶粒细化效应。此外，由退火诱导的HCP相变引起的HCP相强度增加在ECAP-RT样品中高于ECAP-CT样品，从而导致ECAP-RT样品PDA后强度大幅增加。本研究展示了强化机制，并提供了一种通过调控微观结构来获得合金的理想力学性能的方法。相关成果以“Temperature dependence of the deformation behavior and mechanical response of CoCrNi medium-entropy alloy: Experiment and simulation”为题发表在著名学术期刊Journal of Materials Research and Technology上，论文第一作者为广州大学邓皓玮讲师。

   

图4 分子动力学模拟CoCrNi中熵合金在不同温度下的变形机制

 

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785423011389

 

钨及其合金具有优异的热扩散率、低溅射率、高稳定性和高硬度/强度，在许多技术领域包括聚变能、航空航天、微电子等在极端环境下具有广泛应用。然而，在强辐照环境和高温环境中，粗晶粒的钨表现出一些不可避免的缺点，如抗辐照性能不足，导致显著的辐照硬化和脆化。因此，钨在核材料领域中的应用仍然具有挑战性，迫切需要设计和制造新型的钨合金材料或结构，以满足核能系统中恶劣的辐照环境。高密度晶界有助于通过消除自由迁移的点缺陷并均匀分散缺陷来有效提高辐照抗性。此外，晶界可以迅速吸收位错环，显著提高材料的辐射耐受性。最近开发的具有高密度晶界的纳米晶金属，在极端辐照环境下表现出比粗晶粒材料更好的抗辐照性能。然而，纳米尺度材料的热不稳定性是一个需要克服的重大缺点。受到近期报道的将第二相纳米颗粒均匀分散到钨基体中，并在晶界处进行溶质分离，可能进一步显著提高钨的热稳定性的启发。在本研究中，提出了一种通过钛溶质分离和原位沉淀超细Ti-Zr-O纳米颗粒策略，制备出具有超高热稳定性和抗辐照性能的块体纳米晶钨合金。研究发现，块体W-Ti-Zr-O合金的平均晶粒尺寸约为55 nm，再结晶温度约为1600 ℃，在经过244 MeV氩离子辐照后，保持恒定的纳米硬度。相关成果以“Solute segregation and nanoparticle dispersion induced super high stability in a bulk nanocrystalline W-based alloy”为题发表在著名学术期刊Journal of Materials Research and Technology上，论文第一作者为广州大学张涛教授。

 

   

图5 通过“纳米相分离”原理制备的具有高热稳定性和耐辐照的纳米晶钨合金

 

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785423017660

 

系列研究工作得到了国家重点研发计划磁约束核聚变重点专项、广东省自然科学基金、广州市科技计划、广州大学-腐蚀与创新研究院基金以及广州大学“新材料新装备新制造”交叉创新平台的支持。