香港城市大学JMRT：一种具有优异高温强度和抗氧化性能的新型L12强化型单晶高熵合金
在现代能源工业和航空航天工程中，迫切需要具有突出高温性能的先进结构材料来提高能源效率和可靠性。高熵合金的多主元设计策略为更优性能组合提供了前所未有的可能性。其中，多组分L12沉淀强化的块状高熵合金在结构材料领域引起了广泛的兴趣。例如，将具有优异热稳定性的多组分L12沉淀颗粒与延展性面心立方基体结合在一起，可以实现优于传统镍基和钴基高温合金的综合机械性能。然而，与大多数结构材料一样，多晶结构的高熵合金也面临着严重的中温脆化以及高温下快速软化和氧化问题，这极大地限制了其在现代工业中的应用。值得注意的是，单晶的合成的方法提供了一条有效的途径来消除晶界的不利影响，这有望大大提高合金的耐温能力。然而，目前高熵合金研究主要局限于多晶结构，对单晶高熵合金及其性能的研究还有所欠缺。
基于此难题，香港城市大学杨涛等研究者设计了一种基于 Co-Ni-Al-Ta-Cr-Ti体系的新型单晶沉淀强化高熵合金，在1250度的高温处理后仍然维持了高体积分数的多组分L12析出颗粒，并显示出了非常优异的机械性能和抗氧化性能。相关成果以“A novel single-crystal L12-strengthened Co-rich high-entropy alloy with excellent high-temperature strength and antioxidant property”为题，于2023年02月01日发表在国际知名期刊《Journal of Materials Research and Technology》上。论文通讯作者为香港城市大学杨涛教授，第一作者为博士生肖维城和博士后刘少飞。合作者包括香港城市大学开执中教授，哈尔滨工业大学赵怡潞教授，刘兴军教授等。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785423001849?via%3Dihub
图1. (a)沿单晶高熵合金轴向截取的拉伸样品示意图。(b)和(c)拉伸样品的顶面和轴向面的EBSD图像。(d)和(e)显示高密度纳米沉淀的SEM图像。(f)L12沉淀颗粒直径直方图。
图2. (a)暗场TEM图像。(b)基质和颗粒之间界面的HR-TEM图像。(c)样品的STEM-EDX元素分布信息。
图3. (a)样品在25、800、900和1000°C下测试的工程应力应变曲线。(b)与其他单晶钴基高温合金的屈服强度的比较。
图4. (a)合金在1000°C下氧化100h后的横截面STEM图像和相应的元素分布，(b)-(d)STEM中相应区域的HR-TEM图像。
本文设计的一种新型L12析出强化单晶高熵合金在高温下表现出拉伸性能和抗氧化性能的完美结合。优异的机械性能归因于高体积分数的多组分L12沉淀颗粒和晶界的缺失。此外，在各种元素的共同作用下形成的连续氧化层，即使在1000℃的高温下也能有效保护合金免受严重氧化。该研究有望为未来开发高温结构材料提供一种可靠范例。