【论文报道】恭喜魏然、田佳佳老师及硕士生房崇勋在Intermetallics(IF=4.8 Q2)上发表论文！
供稿人：吕学军
论文题目：A novel as-cast Ni42.6Fe24.6Cr16.4Al15.4Nb1 medium-entropy alloy with excellent mechanical properties from room to elevated temperatures
论文作者：Chongxun Fang, Xuejun Lv, Na Li, Ran Wei⁎, Yongfu Cai, Chen Chen, Hongyan Wang, Tan Wang, Shaojie Wu, Min Tian, Zhenhua Han, Jiajia Tian**
Journal：Intermetallics
DOI：https://doi.org/10.1016/j.intermet.2025.109086
【研究背景】
高/中熵合金（H/MEAs）虽因独特结构与性能受关注，但强度-韧性平衡难题及复杂热机械处理带来的高成本，限制了其应用；传统镍基高温合金也存在制备复杂、成本高的问题。共晶高/中熵合金（Eutectic H/MEAs）兼具两类材料优势，有良好铸造性与成分均匀性，是高温应用候选，但现存研究存在缺口：部分需热机械处理才能获优异高温性能，部分高温拉伸性能不明或高温性能缺失，还有部分室温与高温力学性能差异大、易高温软化。要使铸态共晶高/中熵合金（H/MEAs）在室温至高温范围内均具备优异的拉伸力学性能，仍是一项挑战。针对以上挑战，本研究设计了一种在室温至800 ℃范围内均具备优异拉伸性能的新型铸造共晶中熵合金Ni42.6Fe24.6Cr16.4Al15.4Nb1。
【成果速览】
本研究中，我们提出一种新型铸态合金——Ni₄₂.₆Fe₂₄.₆Cr₁₆.₄Al₁₅.₄Nb₁，该合金具有层级异质结构，由富（Fe, Cr）的L1₂相和富（Ni, Al）的体心立方（B2）相组成。此外，这两相中均含有纳米沉淀相。所设计的铸态合金在25 ℃至800 ℃温度区间内展现出优异的拉伸力学性能，显著优于部分已报道的铸态共晶高/中熵合金。在25 ℃时，该合金的屈服强度高达约550 MPa，延伸率（韧性指标）为18.4 %；其在25 ℃下的持续应变硬化行为，源于高密度位错与大量界面之间的显著相互作用。此外，该合金在700 ℃时仍能实现 600 MPa的高屈服强度，延伸率为11 %；其在700 ℃下优异的加工硬化能力，主要归因于面心立方L1₂相中由滑移带诱导的动态霍尔-佩奇（Hall-Petch）效应，以及体心立方B2 相中两种纳米沉淀相的共析出作用。
【数据概览】
图 1. 铸态 Nb0 和 Nb1 合金的微观结构表征。（a）Nb0 和 Nb1 合金的 XRD 图谱。（b）Nb0 合金的背散射电子图像。（c、d、e）分别为 Nb1 合金的背散射电子图像、EBSD 图和 IPF 图。
图 2. （a）铸态 Nb1 合金的透射电子显微镜（TEM）图像和（b）相应的能谱分析（EDS）图谱；（a）图中红色矩形区域的选区电子衍射（SAED）花样（插图）分别显示有序的 L12 相和 B2 相。
图 3. （a）面心立方（FCC）相的暗场透射电子显微镜（TEM）图像；（b）面心立方基体和析出相区域的高分辨率TEM 图像，快速傅里叶变换（FFT）图样（b1、b2）表明析出相为有序L12相；（c）EDS图谱
图 4. （a）体心立方相的暗场透射电子显微镜图像；（b）体心立方基体和析出相区域的高分辨率透射电子显微镜图像。快速傅里叶变换图样（b1、b2）表明基体为有序的B2相，析出相为无序的α相；（c）相应的能谱分布图。
图 5. （a）铸态Nb0和Nb1合金在25 °C至800 °C下拉伸应力-应变曲线；（b）Nb1 合金在25 °C拉伸测试过程中的应变场分布；（c）不同温度下断裂后的铸Nb1合金的 XRD 图谱。
图 6. 铸态 Nb1 合金在（a）25°C、（b）600°C、（c）700°C 和（d）800°C 时的断口形貌
图 7. 25°C 下断裂的铸态 Nb1 合金的TEM图像：（a）双相区在界面处出现位错堆积；（b）FCC（L12）相区；（c）BCC（B2）相区；（d）（c）放大图；（e）（c）EDS图谱显示纳米析出物中的位错。
图 8. 700°C 下断裂的铸态Nb1合金的透射电镜图像：（a）双相区显示滑移带在界面处被阻断；（b）面心立方（L12）相区；（c）体心立方（B2）相区；（d）体心立方基体和析出相区的高分辨率透射图像。快速傅里叶变换（FFT）图样（d1，d2）表明基体为有序B2 相，棒状析出相为莱氏体相（e）对应的EDS映射图。
【结论展望】
本研究中，我们介绍了一种新型铸态共晶中熵合金（MEA）——Ni₄₂.₆Fe₂₄.₆Cr₁₆.₄Al₁₅.₄Nb₁，该合金在室温和高温下均展现出优异的强度与韧性。所设计的中熵合金（MEA）呈现异质结构，由约79.5 %的面心立方（FCC，L1₂相）相和约20.5 %的体心立方（BCC，B2）相组成。其中，FCC 相内存在纳米沉淀相（尺寸小于10 nm）；此外，B2相内还嵌有富（Fe，Cr）的球形 α 纳米沉淀相（直径约 80 纳米）。Nb的添加显著改善了Ni₄₂.₆Fe₂₄.₆Cr₁₆.₄Al₁₆.₄共晶中熵合金的高温力学性能，使得本研究中的该中熵合金在25 ℃至800 ℃温度区间内均展现出优异的力学性能。例如，其在25 ℃时的屈服强度与延伸率分别约为550 MPa和18.4 %，在 700℃时则分别约为600 MPa和 11%，且在上述温度下均具有应变硬化行为。该合金在25 ℃时的优异性能，主要归因于位错与FCC（L1₂）相、BCC（B2）相间界面的显著相互作用，以及位错与两相内部结构的相互作用。具体而言，FCC（L1₂）相中的纳米级元素富集现象，以及 BCC（B2）相中的可变形纳米沉淀相，会阻碍位错滑移，进而引发位错增殖与缠结。除上述变形机制外，在700 ℃时，FCC（L1₂）相中由滑移带诱导的动态霍尔-佩奇（Hall-Petch）效应，以及BCC（B2）相中两种纳米沉淀相的共析出作用，共同显著提升了合金的力学性能。