供稿人：李美睿

论文题目：Effects of Co/Ni ratio on microstructure and mechanical properties of as-cast Cr-Fe-Ni-Co-Al-Si-Ti-Cu high entropy alloys

作者：Zijian Wang（王梓健）, Guangzeng Zhang, Shuai Hu, Shaojie Wu, Yongfu Cai*, Tan Wang, Fushan Li, Ran Wei, Shaokang Guan, Chen Chen*

DOI：https://doi.org/10.1016/j.intermet.2024.108490

【研究背景】

    高熵合金( high entropy alloys,HEAs )的出现代表了传统物理冶金领域合金发展的重大进展，为发现具有优异性能的新型金属材料开辟了新的领域。该系列新型合金因其特殊的相形成原理、优异的综合力学性能、优异的抗辐照性能、良好的软磁性能等而备受关注。一般来说，高熵合金倾向于形成固溶体，而不是生成许多复杂的金属间化合物。然而，各种研究揭示了高熵合金的"木桶效应（buckets effect）"，即含有单一固溶体相和均匀结构的高熵合金往往表现出不理想的力学性能。这种不足促使了对异质结构HEAs的研究。已有研究证实，在凝固后的冷却过程中，部分高熵合金可以通过固态相变形成异质结构，无需耗时耗力的机械加工和热处理，即可获得优异的综合力学性能。由于铸造也是制造具有复杂三维结构的金属制品的最简单方法之一，这类高熵合金具有广阔的应用前景。然而，目前缺乏针对该系列高熵合金的改性方法的研究，特别是关于强化的成分设计策略。

    在一些研究中，Co被认为有利于提高HEAs的强度和硬度。在HEA中，用微量的Co代替Ni不会显著增加材料成本，因为与HEA系统中其他常用元素相比，这两种元素的原材料成本差异很小(见https://www.metal.com/price/)。因此，本文设计并制备了一系列CrFeNi1-xCoxAl0.28Si0.09Ti0.02Cu0.01 (x = 0.1, 0.15, 0.2, 0.3) HEAs，并对Co/Ni比变化引起的组织和力学性能改变机制进行了系统的研究和讨论。

【成果速览】

    本研究采用铸造方法制备了具有FCC+BCC异质结构的CrFeNi1-xCoxAl0.28Si0.09Ti0.02Cu0.01高熵合金，并部分替代Ni以调整Co/Ni比，系统探讨了Co/Ni比对合金组织和力学性能的影响。

    研究发现，随着Co/Ni比的增加，合金中的BCC相比例增加，FCC侧板（sideplate）减少，同时铸态B2相均匀分布。力学性能分析表明，当Co/Ni比从0.1/0.9增至0.15/0.85时，合金的强度显著提高至~1.4 GPa，而塑性保持在10%以上，达到最佳力学性能平衡。

    然而，当Co/Ni比进一步增加时，BCC相的连接导致合金脆性急剧上升。本研究详细讨论了这一现象的机理，并指出通过调控Co/Ni比，可以有效提高铸态HEAs的综合力学性能，为高熵合金的设计和应用提供了新的思路。

【结论展望】

    本文全面研究了以微量Co代替Ni改性Co/Ni比对铸态CrFeNi1-xCoxAl0.28Si0.09Ti0.02Cu0.01(x=0.1, 0.15, 0.2, 0.3) HEAs组织和力学性能的影响，主要研究结果如下:

    (1)铸态HEAs由BCC相和FCC相组成，FCC相由BCC母相转变为固态相形成。

    (2) Co的增加和Ni的减少会导致BCC/FCC比的增加，有利于强化。

    (3)随着Co/Ni比的增大，BCC相逐渐相互连接，形成连续结构，导致塑性急剧下降。

    (4)组成为CrFeNi0.85Co0.15Al0.28Si0.09Ti0.02Cu0.01的HEA，其极限抗拉强度为1.4 GPa，结合塑性为>10%，表现出优异的综合力学性能。

图1.(a) Co0.1、Co0.15、Co0.2和Co0.3的XRD谱图;(b) Rietveld法计算Co0.1、Co0.15、Co0.2和Co0.3中FCC/BCC相的比例。

图2.(a) Co0.1， (b) Co0.15， (c) Co0.2， (d) Co0.3， (e) Co0.1， (f) Co0.15， (g) Co0.2， (h) Co0.3的背散射电子图像。

图4.(a) Co0.1， (b) Co0.15， (c) Co0.2， (d) Co0.3相图;(e) Co0.1， (f) Co0.15， (g) Co0.2， (h) Co0.3的IPF图像。

图5 (a) Co0.15中(b) Fe， (c) Cr， (d) Ni， (e) Al， (f) Co， (g) Ti， (h) Si和(i) Cu的HAADF-STEM图像和EDS图。

图6.(a) FCC和BCC相区域Co0.15的亮场(BF)图像(插图为箭头标记的SAED模式);(b) FCC相(插图中的SAED模式反映了FCC相和纳米沉淀物（nanoprecipitates）之间的K-S相关性，来自实线框)和(c)含有纳米沉淀物的BCC相(插图是对应的SAED模式，显示了来自实线框的超晶格)的详细纳米尺度结构;(d) B2超晶格对应的纳米沉淀物的暗场(DF)图像

图7.(a) Co0.1、Co0.15、Co0.2、Co0.3的典型工程拉伸应力-应变曲线，(b)屈服强度(YS)， (c)极限抗拉强度(UTS)， (d)塑性(εp);(e) Co0.15和含有εp>10%的典型塑性铸态HEAs的UTS与原材料成本的比较。