屈服达到2.48GPa，异质结构超高强度高熵合金！

   导读：本文设计和制备了一种基于Co-rich CoCrNiFe的高熵合金，掺杂了一些额外的元素W、Mo、Al、Ti和Nb。通过热机械加工在合金中形成由多尺度沉淀物、精细再结晶晶粒和具有高密度位错的晶粒组成的异质微结构。合金的屈服强度可以高达2.48 GPa，伸长率约为3.5%。据讨论，LI2-γ′沉淀物、高密度位错和晶界在强化合金方面发挥着主导作用。

随着主要设备的升级，结构材料的机械性能要求越来越高。正如最近的研究中报告的那样，马氏钢或马氏不锈钢长期以来一直是开发的最高强度合金。这种合金的抗拉强度通常在2.0 GPa左右。最近通过激光粉末床熔融制造的玛拉格钢的屈服强度可以高达约2.4 GPa，但不幸的是，伸长率仅为1%左右。因此，2.0 GPa的屈服强度似乎是这种合金的上限。

   为了突破这一限制，建立一个新的构图设计策略具有重要意义。例如，最近的工作报告了一种掺杂Al和V元素的中??馕钢，在热机械加工后表现出2.21 GPa的超高屈服强度，伸长率为15%。在另一个方面，使用多种主元素和附加元素来形成高熵合金（HEA）的设计应该是一个非常有前途的途径。

HEAs因其高性能，如高温下的高强度、高耐磨性和高点蚀性，因此对潜在应用的极大关注。面心立方（FCC）结构HEA通常表现出有希望的强度-延展性协同作用，特别是CoCrNiFe和CoCrNi基合金，其抗拉强度可达2.0 GPa，加上优异的均匀伸长率。然而，进一步提高目前强度更高的CoCrFeNi和CoCrNi基合金的性能仍然是一个挑战。这些合金的先进特性归功于它们独特的异质微观结构。在异质微结构中，沉淀阶段在硬化用各种附加元素掺杂的FCC结构HEA方面发挥着重要作用。

代表性的附加元素包括Al、Ti、Mo和Nb。元素Al、Ti和Mo通常促进相干纳米LI2-γ'相和拓扑密闭合相（TCP）的形成。TCP是钢材中的有害阶段，但它有利于通过在软基质中形成离散的亚微米沉淀物来增强HEA。元素Nb可以促进γ′、γ′′和ε相的形成，特别是通过在纳米尺度范围内的溶质分割促进连续γ?沉淀。上述合金元素在加强HEAs方面发挥着积极作用。

因此，使用这些附加元素设计的HEAs容易表现出不同相位的多尺度沉淀颗粒。结合热机械加工，应形成异质微观结构，以有效强化合金。在我们之前的研究中，富含氮的基于Ni2FeCoCr的HEA掺杂了附加元素Al、Ti、W、Mo和Nb，通过热机械加工获得了卓越的强度-延展性协同作用，尽管屈服强度有限。考虑到合金可以有效避免在热机械加工过程中形成片状马氏体，并带来延展性的巨大提高，在目前的工作中。

  东北大学设计了一种共富的CoCrNiFe基HEA，并通过热机械加工构建了异质微结构，以极大地增强合金的强度-延展性协同作用。

图1.SEM-EBSD-EDS表征和铸件和均质合金的拉伸应力-应变曲线：（a）SEM图；（b）带有晶粒尺寸直方图的EBSD方向图；（c）穿过矩阵和（a）平方区域沉淀物之间界面的EDS线扫描剖面；（d）带有断裂形态图所示的工程拉伸应力应力曲线。

图2.在SEM-EBSD和TEM下表征的微观结构：（a）CR合金；（b）CRA合金；（c）CRAA合金。

图3.在TEM下表征的CRAA合金的微观结构：（a）BF图像；（b）由FFT倒数晶格制成的IFFT图像对应于（a）中的平方面积；（c）IFFT图像由一个FFT倒数晶格点制成；（d）对应于（b）的弹性应变图。

图4.（a）CRAA和CRA合金的工程拉伸应力-应变曲线；（b）包括当前合金在内的各种先进HEA的屈服强度-均匀伸长率比较图；（c）相应XRD模式的βcosθ和4sinθ参数之间的拟合线；（d）各种强化机制贡献示意图。

总之，目前基于CoCrNiFe的HEA掺杂了W、Mo、Al、Ti和Nb附加元素，通过热机械加工可以达到2.48 GPa的超高强度，伸长率约为3.5%。这一结果得益于由多尺度沉淀物、精细再结晶晶粒和带HDD的回收晶粒组成的异质微结构。结果表明，基于CoCrNiFe的HEAs拥有巨大的开发空间，以满足对高性能结构材料日益增长的需求。