西北工业大学《MRL》：冷喷涂固态增材制造高熵合金组织演变

近日，西北工业大学凝固技术国家重点实验室李文亚教授团队与爱尔兰都柏林大学圣三一学院STAM团队合作，在高熵合金极端塑性变形中微观组织及成分分布演变方面取得新的研究进展。相关成果以 “Microstructure evolution and composition redistribution of FeCoNiCrMn high entropy alloy under extreme plastic deformation”为题发表于材料领域国际著名期刊《Materials Research Letters》（IF=7.323）。都柏林大学圣三一学院博士研究生于鹏飞为第一作者，西北工业大学凝固技术国家重点实验室和都柏林大学圣三一学院为共同通讯作者单位，该研究成果获得了凝固技术国家重点实验室开放课题（SKLSP202011）和自主课题（2021-TZ-01）支持。


在常规金属或合金在经历剧烈塑性变形（SPD）时，强烈而复杂的热-力作用，大应变和高应变率通常会引发独特的微观结构演变现象。例如，高应变率能够导致粗晶粒细化为纳米级晶粒，或非晶相形成。此外，剧烈塑性变形过程中极端的热-力过程会显著促进原子扩散，从而导致金属间化合物的形成。近年来，由等原子或近等原子浓度的多主元素组成的高熵合金（HEA）由于其优异的力学性能和独特的功能特性而备受关注。在所有高熵合金中，具有单一面心立方（FCC）相的 FeCoNiCrMn高熵合金体系因其出色的强度、延展性和断裂韧性，成为目前学界研究最多的合金之一。近年针对 FeCoNiCrMn 高熵合金的剧烈塑性变形过程的研究发现，剧烈塑性变形过程对 FeCoNiCrMn 的显微组织演变有着显著的影响。剧烈塑性变形过程使FeCoNiCrMn发生了显著的晶粒细化，同时引发了FCC→HCP相变以及非晶组织的形成。然而，迄今为止在HEA 的剧烈塑性变形过程的研究中使用的最大应变率约为106 s-1。在更高的应变速率下，微观结构和元素组成会发生什么变化尚不清楚，这样的研究空白限制了人们对HEA变形机制的理解。

为了实现更高应变率的塑性变形，本文作者使用冷喷涂技术，将微米尺度的FeCoNiCrMn颗粒以800m/s以上的速度喷射至基板上，利用高速撞击，引起了应变率高达108 ~109s-1的绝热塑性变形过程。研究发现，由于动态再结晶的发生，粗大的微米级晶粒在极端变形后显著细化为纳米级晶粒。不同程度的塑性变形导致晶粒细化尺寸不同。在经历极大应变和高应变率变形的区域，获得了平均尺寸小于100 nm的纳米晶粒。此外，在 FeCoNiCrMn中首次揭示了极端塑性变形引起的 Mn 和 Ni 元素的快速重新分布。该研究丰富了学界对FeCoNiCrMn高熵合金大应变率极端塑性变形下微观组织及成分演变规律了解，为未来使用剧烈塑性变形条件进一步优化FeCoNiCrMn高熵合金微观组织，提高力学性能提供了重要依据。

图1 冷喷涂FeCoNiCrMn高熵合金沉积体显微组织分析：（a）BF-TEM 图像和 TKD 测试结果，（b）IPF 和平均取向差 (KAM) 图像。可以看出，在沉积的颗粒间界面处发生了显著的晶粒细化，这是动态再结晶的结果；由于颗粒碰撞速度高，变形时间太短，无法引起长距离晶界迁移；在这种情况下，依赖晶界迁移的不连续动态再结晶（DDRX）不再成为主要晶粒细化机制。 图2 极端变形过程中元素重新分布过程的示意图。最初，Mn 和 Ni 在枝晶间偏析，并且在起始粉末中形成亚晶界（a）；在变形过程中，具有小角度晶界（LAGB）的亚晶通过连续转动演变为大角度晶界（HAGB），平均晶粒尺寸减小；由于晶粒细化，晶界面积显著增加；大面积的晶界为Ni和Mn的扩散提供了捷径；因此，偏析的 Ni 和 Mn 沿着新形成的晶界扩散（b-f）；由于这一过程伴随着变形过程中的晶粒结构演变，因此偏析元素可以在几十纳秒内广泛分散在新形成的晶界网络中。