《Scripta Materialia》：层状高熵合金亚稳相和稳定相的分层演化！

高熵合金(HEA)或复杂浓缩合金(CCA)是一类相对较新的合金，开发基于以等原子或接近等原子比例混合多种元素。多份关于这些合金的报道表明它们有可能取代目前用于结构应用的一些合金，但还需要更多的研究发掘其潜力。在设计合适的HEA/CCA中控制微观结构进而影响机械性能是主要目的。因此，了解这些合金中的相变路径对于指导微观结构设计至关重要。Al_xCoCrFeNi是研究转化途径的重要候选合金系列，已被广泛研究，Al_xCoCrFeNi在14 at% Al和1340℃下表现出共晶反应，其中液体分解为FCC和B2相。成分含有10-14 at% Al时处于亚共晶状态，14-18 at% Al时处于过共晶状态。在过共晶成分中，Al_0.7CoCrFeNi(约15%Al)可能是研究最多的合金系统。这种合金在铸造状态下的显微组织由交替的FCC和BCC基薄片组成，已有研究证实金属间析出能够提高合金的机械性能，但是其中的强化机理仍不明确。

泰国国王科技大学的研究人员使用先进的表征技术研究了Al_0.7CoCrFeNi的微观结构，结果支持BCC基晶粒固态分解为FCC和BCC基相，而不是共晶相。探讨了580℃等温退火后的显微组织演变，结合热力学模型解释了观察到的相变路径。相关论文以题为“Hierarchical phase evolution in a lamellar Al_0.7CoCrFeNi high entropy alloy involving competing metastable and stable phases”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114137

在真空电弧熔炼炉中制备化学成分为Al_0.7CoCrFeNi(15Al-21.3Co-21.3Cr-21.3Fe-21.3Ni)的合金。铸锭在1100℃下热轧(厚度减少30%)，热轧合金进行1100℃×5min的去应力退火处理，然后在580℃下等温退火24h或400h，下文简称为HRAX(X=0、24、400)，HRA0只进行1100℃×5min退火，所有退火均在氩气氛围下的石英管中进行(水淬)。

研究发现随着580℃等温退火时间的增加，FCC片层内的析出行为从亚稳态L1₂到稳定的复合B2/BCC沉淀物的变化与热力学(Thermo-Calc)预测一致。此外，即使在580℃下退火400小时，片晶内的母体FCC基体仍然保留，表明微观结构尚未达到真正的平衡，尽管与FCC相比更接近平衡。580℃/24小时接近平衡复合BCC+B2板条状析出条件。FCC薄片成分在退火温度下的平衡相为B2和BCC，预计在FCC中形成这些相。这些相的分布和形态可归因于界面能。FCC基体中单独的B2和BCC的析出导致大的界面能。

图1 Al_0.7CoCrFeNi中Al变化的等值线和吉布斯能图

图2 HRA24条件下的微观结构

图3 HRA400条件下的微观结构

图4 HRA400条件下的微观结构

BCC基体在三种条件中表现出最低的硬度约270 Hv，在HRA24条件下，L1₂在FCC薄片内的析出使合金的硬度增加到约405 Hv，当FCC薄片分解成FCC和(B2+BCC)复合颗粒时，最大硬度约430Hv。

本文合金Al_0.7CoCrFeNi在凝固过程中，液体通过无分区凝固转变为单一的B2相，随后FCC片层形成固体形核并生长为B2晶粒。在580℃退火24h后，FCC片层内析出L1₂，大大提高了合金的硬度。当退火时间进一步延长至400h时，L1₂溶解同时复合BCC+B2板条在FCC片层内析出。等温退火通过有序金属间相的析出推动单独系统达到平衡。本文对HEA或CCA等合金的相变路径及微观结构设计有重要意义。（文：破风）