供稿人：董昊博

论文题目：A novel Fe-rich low-cost as-cast heterostructure medium entropy alloy with excellent mechanical properties

论文作者：Guangzeng Zhang（张广增）, Nuo Lei, Zixuan Zhou, Shuai Hu, Shaojie Wu, Yongfu Cai*, Tan Wang, Fushan Li, Ran Wei, Shaokang Guan, Chen Chen*

Journal: Materials Letters

DOI：https://doi.org/10.1016/j.matlet.2024.137447

【研究背景】

高熵合金（High-entropy alloys）和中熵合金（Medium-entropy alloy）因其卓越的性能（包括出色的机械性能、耐磨性/耐腐蚀性等）在工程应用中显示出巨大的潜力。然而目前通过构建复杂而精细的异质结构需要高的成本并且需要通过耗时耗能的热处理工艺，这大大阻碍了高熵合金和中熵合金的发展和应用。为了解决上述问题，应考虑富铁无钴铸态 Fe-Cr-Ni-Al-Si 中熵合金，因为它们具有降低成本和避免复杂加工路线的巨大优势。但到目前为止，该系列中熵合金很少发现具有高强度和塑性的优异综合力学性能。在这项工作中，我们研究了一种铸态两相（FCC+BCC） Fe_2.5CrNiAl_0.3Si_0.3 中熵合金，在两相中都具有良好的分散性 B2 纳米颗粒。这种低成本的中熵合金表现出优异的机械性能组合，并讨论了相应的机理。

【成果速览】

本研究通过电弧熔炼成功设计并制备了一种新型的FCC+BCC+B2 异质结构 Fe_2.5CrNiAl_0.3Si_0.3 中熵合金。微米至亚微米级的 FCC 和 BCC 相以及两相中的纳米级 B2 颗粒实现了复杂的异质结构效应，导致这种铸态中熵合金具有极高的极限拉伸强度和高塑性，其富铁无钴特性有利于优异的机械性能和低原材料成本的结合。这项工作为开发新的具有成本效益和高性能的铸态 MEA 提供了有价值的见解和新的途径。

具有异质结构的合金可能会表现出较高的综合机械性能，在FCC和BCC相中形成的B2纳米颗粒会导致更复杂的变形相互作用，也影响其机械性能。研究发现，部分试件出现位错和剪切带，表明存在不均匀变形，这通常是由异质结构引起的。中熵合金中复杂的异质结构效应，有利于引入良好的塑性变形稳定性，在具有良好塑性的FCC相中，由于富Fe的成分与等原子元素（例如HEAs）相比会减少固溶体元素，导致固溶体强度降低，但在FCC相中存在分散良好的B2相将具有很强的强化作用，可以抵消强度下降的影响。因此，这种铸态高熵合金显示出优异的强度和塑性是合理的，因此，进一步的研究将集中在调整该系列中熵合金的 FCC、BCC 和 B2 相的大小、形状和分布上，这将进一步激发提高其机械性能的潜力，值得进一步研究。

【数据概况】

Fe_2.5 的 (a) XRD 图谱和 (b) BSE 图像（插图显示了样品中的纳米沉淀物），(c) Fe_2.5 中侧板结构和侧板结构间区域的 EDS 结果，(d) 相图和 (e) IPF 图像以及 (f) 根据 Fe_2.5 中 FCC 和 BCC 相之间的理论 K-S 分布。

(a) 明场图像（插图是侧板结构和侧板结构间区域的 SAED 模式）和 (b)B2 相的相应暗场图像，(c)HAADF-STEM 图像和相应的(d)-(h) Fe_2.5 的 EDS 结果。

 (a) Fe_2.5 的典型拉伸应力-应变曲线 (b) Fe_2.5 的原材料成本与UTS以及εp超过15% 的典型铸态 HEA/MEA ;Fe2.5 中 5% 变形的典型区域的明场图像，包含 (c) 剪切带、位错和无位错区域以及 (d) 位错和B2相之间的相互作用。

【结论展望】

一种高性能且具有成本效益的铸态中熵合金Fe_2.5CrNiAl_0.3Si_0.3 已经成功设计。主要发现可以总结如下：

（1） 它在铸态下表现出复杂的异质结构，包括微米至亚微米级的 FCC 侧板结构结构和侧板结构间 BCC 相，以及 FCC 和 BCC 相中分散良好的 B2 纳米颗粒。

（2） 与典型的延展性铸态 HEAs/MEAs 相比，它表现出出色的机械性能和成本效益，表现出 1147（±7）MPa 的高极限拉伸强度 （UTS） 和 18.8（±2.9）% 的拉伸塑性 （εp）。

（3） 异质结构以及固溶相和嵌入的 B2 纳米颗粒之间的相互作用在影响这种铸态高熵合金的位错分布和高机械性能方面起着重要作用。