金属顶刊《Acta》：破解"脆性魔咒"：新型热机械工艺让难熔合金强度与韧性兼得

2026-01-29 13:24:35 作者：本网发布来源：材料学网分享至：

摘要：难熔多主元合金（RMPEAs）凭借其优异的力学性能，成为航空航天与核工业领域极具潜力的结构材料。然而，这类合金面临两大关键挑战：一是位错迁移能力受限导致的固有室温脆性，二是平面滑移主导的变形机制引发的应变硬化能力不足。本研究提出了一种称为CRLAPA（冷轧后进行低温时效和部分退火）的新型热机械加工工艺，在Ti33Zr33Nb20Al9V5RMPEA中构建多尺度异质结构，最终使合金获得1323 MPa的高拉伸屈服强度与19%的断裂伸长率。通过位错密度梯度驱动的再结晶形成的双模态晶粒结构，可实现互补型变形模式：超细晶粒能够高效存储几何必需位错（GNDs），从而实现快速硬化；而细晶粒则可容纳统计存储位错（SSDs），维持塑性流变的持续进行。此外，B2型短程有序结构（SRO）与增强的局部晶格畸变相结合，通过有效钉扎位错运动促进滑移带形成，进而促进位错增殖。这些滑移带与微带相互作用，形成应力再分布通道，从而延缓应变局部化并保持稳定的加工硬化效应。本研究通过多尺度障碍的多模态调控，为突破RMPEA的强度—延展性倒置瓶颈提供了可行策略。

背景：开发同时具有抗拉强度（>1 GPa）和可观的拉伸延展性（>15%）的结构材料对于下一代航空航天、核能和能源系统至关重要。难熔多主元素合金（RMPEAs）由于其高屈服强度、优异的耐磨性、耐辐照性、耐腐蚀性和耐腐蚀性而作为潜在的候选材料受到了极大的关注。然而，大多数RMPEA表现出固有的室温脆性，很少有合金系统（例如，NbTaTiZr基合金）表现出可观的拉伸延展性。这种普遍的强度—延展性权衡主要源于有限的位错迁移率：高晶格畸变和Peierls-Nabarro应力有利于螺旋位错平面滑移，这抑制了交叉滑移和多滑移激活，从而导致过早的塑性不稳定和断裂。

在面心立方（FCC）多主元素合金（MPEAs）中，异质微观结构设计已被证明是通过定制多尺度耦合势垒来减轻这种权衡的有效策略。（例如，亚晶界，变形带，孪晶，位错缠结）作为随后的再结晶和相变的优先成核位置。结合退火过程中的微分再结晶动力学和平衡或亚稳相的沉淀，这些缺陷使得能够发展复杂的微观结构，例如梯度、层状和双峰晶粒分布，沿着具有异质相配置。An等人在Co30Cr20Fe18Ni14Mn18合金中采用冷轧和退火，通过降低堆垛层错能来设计自组织双峰晶粒结构，导致通过<111>织构化粗晶粒的同时强化和增强的应变。此外，在不同长度尺度上具有显著性质失配的分级异质微观结构可以进一步增强结构材料性能。例如，Chu等人通过冷轧、短期高温退火和中温时效处理，在Al7.5Co20.5Fe24Ni24Cr24MPEA中开发了一种多异质结构，其在异质晶粒结构基质中结合了分级沉淀物（B2+L12+σ）。这种结构协同地将异质变形诱导硬化与沉淀强化相结合，导致与均匀对应物相比加工硬化能力的显著增强。虽然这些异质微结构设计在FCC MPEAs中已经证明是非常成功的，但是它们直接转化为体心立方（BCC）RMPEAs遇到了三个基本障碍。首先，RMPEAs在室温下固有的脆性严重限制了通过重冷轧引入非均匀层状结构。其次，虽然重冷轧显著增加了晶界密度，但退火过程中的快速晶粒生长，由晶界迁移率和界面能的差异驱动，降低了应变硬化能力。此外，RMPEAs中的亚稳相在高温热处理期间倾向于快速粗化，而脆性金属间化合物优先在晶界处成核，导致严重的延展性损失。

为了克服这些障碍并在BCC RMPEA中实现卓越的强度—延展性组合，本研究将成分设计与创新的热机械加工协同集成。首先使用多标准方法设计了非等原子Ti33Zr33Nb20Al9V5RMPEA，旨在稳定亚稳态BCC基体并促进后续加工过程中多尺度异质结构的形成。设计策略包含以下四个关键标准。首先，采用d电子合金设计理论，计算出平均键序（B(——)o(——)=2.917）和平均金属d轨道能级（M(——)d(——)=2.552），将成分置于预计表现出微带诱导塑性（MBIP）的区域内，从而增强加工硬化。其次，价电子浓度（VEC=4.16）保持在4.5以下，以确保BCC相稳定性和良好的变形性。第三，原子半径失配（δ=4.98%）被调整得足够大，以引入强烈的局部晶格畸变以进行固溶强化，但保持在约6.6%以下以避免BCC固溶体不稳定。最后，利用整体负混合焓，特别是Al与Ti、Zr和Nb的强负混合焓，在热力学上有利于B2型SRO的形成。随后，开发了一种新的加工路线，称为CRLAPA（包括90%冷轧、300℃低温时效和部分退火）。在退火之前引入低温时效具有双重目的：促进B2型SRO域的形成，在随后的再结晶过程中有效固定晶界，同时通过局部晶格畸变增强位错之间以及位错与晶格缺陷之间的相互作用。这种方法在室温下具有显着的强度-延展性协同作用，表现出1323 MPa的高屈服强度和19%的断裂伸长率。出色的机械性能主要归因于以下多尺度机制：（i）双峰晶粒结构能够在超细晶粒（UFG）和细晶粒（FG）区域之间进行有效的应变分配，从而增强GND的存储；（ii）B2型SRO与局部晶格畸变的耦合产生增强强化，同时促进滑移带的形成；（iii）自组织平面滑移带和微带之间相互作用产生的应力重新分布路径，从而有效延迟应变局部化。这些多尺度特征协同调节位错倍增和交叉滑移，建立了先进金属材料的势垒调节与应变离域相结合的设计范式。

该项研究成果以“Synergistic enhancement of strength-ductility in a refractorymulti-principal element alloy via multimodal regulation of multiscalebarriers”为题，在线发表于国际材料刊物《Acta Materialia》。南方科技大学韩晓东教授、北京工业大学毛圣成研究员和杨鲁岩副研究员为该论文通讯作者。该研究工作获得了国家自然科学基金（52588202、52425103和52204379）和国家重点研发计划（2021YFA1200201）的资助。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645426000479

图1微观结构和物相表征

（a）XRD图谱证实了铸态、CR-PA和CR-LA-PA合金中的BCC结构；

（b）铸态合金覆盖在晶界上的相分布图，紫色为BCC相；

CR-PA（c，d，e）和CR-LA-PA（f，g，h）合金的EBSD分析：分别为IPF、GB和GND图；

（i，j）STEM-BF图像揭示了CR-PA和CR-LA-PA合金的微观结构。

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