第一作者： 熊婷
通訊作者： 鄭士建、張瑞豐、Peter K. Liaw、馬秀良
通訊單位： 中國科學院金屬研究所
DOI: 10.1016/j.jmst.2020.04.073
共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1可以實現(xiàn)強度和塑性的優(yōu)良匹配且兼具共晶合金優(yōu)異的鑄造、成型性能，因而成為高熵合金中的熱門研究體系。合金中大量存在的兩相界面必然對合金的塑性變形行為產(chǎn)生至關重要的作用，而合金的兩相界面特性及其對合金塑性變形的影響及作用機制尚未得到充分認識。本文精細解析了合金兩相界面的取向關系、界面結構，揭示了變形過程中兩相的變形機制，并發(fā)現(xiàn)一方面合金中界面可以通過阻礙位錯運動來強化合金，為合金提供足夠強度，另一方面其界面原子尺度結構特征及界面兩側兩相的滑移體系對稱性有利于合金中部分位錯穿越界面實現(xiàn)滑移傳遞，使合金具有良好的塑性。
高熵合金因其成分的多組元特性展現(xiàn)出很多獨特的性能，例如優(yōu)異的斷裂韌性、疲勞性能、抗腐蝕和抗輻照性能，其作為最有潛力的新一代結構材料得到科研人員的廣泛關注。
高熵合金的晶體結構常表現(xiàn)為單相面心立方（FCC）結構或單相體心立方（BCC）結構。一般而言，單相FCC結構的高熵合金塑性好但強度低，而單相BCC結構的高熵合金強度高但延展性差，因此單相固溶體高熵合金很難平衡強度與塑性。本文合作者大連理工大學盧一平教授等人綜合FCC和BCC高熵合金的優(yōu)點，基于共晶成分點配比，設計了一種由韌性軟質FCC相和脆性硬質B2相交替片層組成的雙相共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1，實現(xiàn)了強度和塑性的優(yōu)良匹配。
共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1中存在大量異質相界面，而到目前為止，人們對合金中界面與位錯的相互作用及其對合金性能的影響尚不清楚。本文綜合利用掃描電鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）、及透射電鏡（TEM）揭示了共晶高熵合金中兩相界面具有K-S取向關系，界面由原子尺度臺階結構構成，拉伸變形過程中位錯可實現(xiàn)滑移傳遞因子大于零的位錯可以穿過界面產(chǎn)生連續(xù)滑移，為合金提供高塑性；而其余位錯則會被界面阻擋產(chǎn)生位錯塞積，為合金提供高強度。因此本文揭示了合金中共晶兩相的變形機制及相界面對合金強度和塑性的影響，以期對設計高性能的共晶高熵合金提供信息指導。
圖1.（a）鑄造態(tài)共晶高熵合金典型微觀形貌的兩相分布圖；（b）相應區(qū)域的取向成像圖；（c）圖（b）中FCC相和B2相中沿箭頭1、2方向與箭頭起點的相對取向差。（d）圖（b）中跨越FCC相兩個不同取向箭頭處取向與起點處的取向的取向差。
圖2. 共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1EBSD掃描區(qū)域（圖1（a））右側晶粒的兩相極圖重疊圖，顯示兩相取向關系為K-S取向且存在兩種變體：（a）變體V1，[-111]B2||[-110]FCC和(110)B2||(111)FCC；（b）變體V2，(-111)B2||[01-1]FCC和(110)B2||(111)FCC。
圖1（a）是鑄造態(tài)共晶高熵合金典型微觀形貌的兩相分布圖，其中紅色是FCC相，藍色是B2相。共晶組織表現(xiàn)出兩種典型形貌：平直的片層和圓板條狀，F(xiàn)CC和B2片層的平均片層寬度分別為2.61±1.21 μm和1.22±0.58 μm。將圖1中右側的晶粒中FCC相和B2相的極圖重疊來判定FCC-B2的取向關系，如圖2所示。極圖分析可知共晶高熵合金中兩相的取向關系為K-S取向，由于FCC相中存在生長孿晶，存在兩種取向變體，分別為V1，[-111]B2||[-110]FCC和(110)B2||(111)FCC；V2，(-111)B2||[01-1]FCC和(110)B2||(111)FCC。
圖3.（a）平直界面(321)B2||(112)FCC的明場像及對應的復合衍射花樣；（b）圓片狀區(qū)域明場像，顯示其中存在(321)B2||(112)FCC和(01-1)B2||(33-2)FCC兩種界面；（c）K-S取向下的模擬復合衍射花樣。
圖4. 界面HAADF-HRSTEM照片：（a）(321)B2||(112)FCC界面；（b）(01-1)B2||(33-2)FCC界面。
圖3為合金中兩種典型形貌中主導界面的TEM明場像及其相應的兩相復合衍射花樣。根據(jù)PTC Lab軟件模擬K-S取向下符合衍射花樣（圖3（c））,可確定黃色虛線標記界面指數(shù)為(321)B2||(112)FCC，藍色虛線標記的界面指數(shù)為(01-1)B2||(33-2)FCC。高分辨HAADF-HRSTEM圖像（圖4）顯示了(321)B2||(112)FCC和(01-1)B2||(33-2)FCC在原子尺度上臺階特征的界面結構。
圖5. 不同g衍射矢量下的雙束衍襯像，用以確定FCC相中位錯矢量和類型：（a）g = (200)；（b）g = (1-11)；（c）g = (11-1)；（d）g = (002)。g衍射矢量方向用黑色箭頭標出。（e）圖（a–d）中可見位錯的描圖，不同伯格斯矢量位錯采用不同顏色來區(qū)分。
圖6. 不同g衍射矢量下雙束衍襯像，用以確定B2相中位錯矢量和類型：（a）g = (0-11)；（b）g = (110)；（c）g = (101)；（d）g = (001)。g衍射矢量方向用黑色箭頭標出。圖（a），（b）和（c）中電子束入射方向接近[-111]晶帶軸，圖（d）的電子束入射方向接近 [-110] 晶帶軸。
圖5和圖6分別給出了拉伸變形后共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1中FCC相和B2相中位錯的雙束衍襯分析形貌圖。根據(jù)g?b=0消光準則對共晶兩相中位錯伯格斯矢量進行判定，可以確定共晶高熵合金中FCC相的塑性變形主要是通過伯格斯矢量為1/2<110>位錯在{111}面上的平面滑移來實現(xiàn)的；B2相的變形主要通過<111>螺位錯在{110}面上滑移來實現(xiàn)。
圖7.（a）TEM明場像，顯示FCC相內位錯在界面塞積；（b）TEM明場像，顯示滑移跡線連續(xù)穿越FCC和B2相；（c）位錯從FCC相穿越進入B2相的典型TEM形貌像。
共晶高熵合金中存在大量兩相界面，界面在合金塑性變形過程中起著至關重要的作用。在變形的初期，材料中大量存在的界面可以充當位錯異質形核的起源來誘發(fā)合金的塑性變形。由于FCC相本征屬性較軟，位錯優(yōu)先從界面進入到FCC相中激活FCC相的塑性變形。圖7（a）是一張TEM明場像，展示了FCC相中一列位錯被相界面阻礙。而圖7（b）顯示兩相中的滑移跡線在界面兩側一一對應，表明位錯可以滑移穿越界面。圖7（c）一張典型的TEM明場像，展示了FCC相內位錯穿越進入到B2相內。以上結果表明共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1中的相界面對材料的部分位錯有強阻礙作用，而對另一部分位錯而言則是易于滑移傳遞的。位錯在界面處滑移傳遞可行性可以通過滑移傳遞幾何因子χ來判定，當χ大于0，位錯可以穿過界面實現(xiàn)滑移傳遞，等于0則位錯將被界面阻礙。界面處的位錯滑移傳遞，有助于合金兩相協(xié)同變形，提高合金的拉伸塑性，而界面對位錯的強阻礙作用，則使合金強度提升。
綜上所述，本文精細表征了共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1中界面的取向關系及界面結構，深入探索了共晶高熵合金的變形機制及界面效應，建立了原子尺度界面結構與合金強塑性之間的聯(lián)系，以期為通過界面調控設計更高強度、更高塑性高熵合金提供指導信息。
