导读
针对高熵合金高温短板，设计新型合金，历经系列制备测试，明晰其组织性能与变形机制，为高熵合金高温应用破局
航空航天蓬勃发展，对高强度合金求贤若渴，高熵合金应运而生备受瞩目，可 NiCoFeCrMn 高熵合金高温性能研究滞后，传统强化策略在高温下纷纷 “折戟”。孪生强化遇高温动态回复而失效，异质结构因晶粒长大失稳，析出强化虽增强室温性能却常致中温脆化，高温困境亟待突破。
本研究独出心裁，设计（NiCoFeCrMn）98.4Nb0.8C0.8 高熵合金，经电弧熔炼、冷轧退火等精心制备，借拉伸测试、电镜观察深入探究。创新地克服中温脆性难题，精准剖析高温变形机制。研究发现合金呈再结晶等轴晶与弥散 NbC 相，873K 屈服强提 77% 且塑性无损，673 - 1073K 锯齿流变归因于晶格畸变与 NbC 析出，为高熵合金高温应用开辟新径。
【研究亮点】
合金设计新颖独特，创造性引入 Nb 与 C 元素形成 NbC 沉淀相强化 NiCoFeCrMn 高熵合金，成功攻克第二相强化中温脆性难关，为高熵合金成分设计提供全新思路与范例。
深度剖析高温变形机理，紧密结合微观组织演变、力学性能变化与锯齿流变特征，系统阐释 NbC 颗粒、晶格畸变及温度对合金变形影响，填补相关理论空白，学术价值重大。
【文章来源】
华中科技大学、钢铁研究总院高温材料研究所联合研究团队在2024年第44卷第11期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“NbC沉淀强化FeCoNiCrMn高熵合金的高温力学性能”的文章，作者设计了一种NbC沉淀相强化NiCoFeCrMn高熵合金，在冷轧和再结晶后，退火态（NiCoFeCrMn）98.4Nb0.8C0.8高熵合金基体呈均匀的等轴晶组织，合金内形成了弥散分布的近球形NbC析出相。该合金在873 K下保持了425 MPa的屈服强度以及50.5%的伸长率，与基体合金相比，屈服强度提高了77%，伸长率几乎没有损失。此外，该合金在673～1 073 K呈现出锯齿流变特征，这主要是Nb与C元素的掺杂引起合金较大的晶格畸变以及NbC颗粒的析出导致的。
【研究方法】
材料制备工艺：在氩气中以电弧熔炼高纯金属与 Cr3C2 制合金铸锭，多次翻转重熔保均匀，依次经均匀化、冷轧、退火及水淬处理，石英管封装防氧化，工艺精细严谨。
性能测试表征：运用 AG - 100KN 拉伸试验机于 673 - 1073K 拉伸测试，依标准速率采集应力应变数据；借 FEI Sirion 200 扫描电镜、JEOL JEM - 2100 透射电镜观察微观组织，多手段协同解析合金特性。
【图文解析】
1 试验材料及方法
在氩气中通过电弧熔炼高纯金属（质量分数为 99.9%的Ni、Co、Fe、Cr、Nb和99%的Mn）和Cr3C2制备（NiCoFeCrMn）98.4Nb0.8C0.8合金铸锭。为了确保化学均匀性，每个铸锭被翻转和重新熔化至少4次。随后将铸锭移至铜模上进行滴铸，待冷却后取出试样，得到长方体铸锭。为了消除成分偏析，对其进行1 473 K×24 h和1 523 K×2 h的均匀化处理。随后冷轧至变形量达到87%，再进行1 073 K×1 h退火，最终获得均匀的完全再结晶组织。所有热处理试样的冷却处理均为水淬，并且热处理试样事先都用石英管真空封装以避免高温氧化。
使用AG-100KN型拉伸试验机进行673～1 073 K范围内的拉伸试验，拉伸速率均保持为1×10-3 s-1。使用FEI Sirion 200扫描电镜和JEOL JEM-2100透射电镜观察试样微观组织。
2 试验结果与讨论
图1为（NiCoFeCrMn）98.4Nb0.8C0.8高熵合金冷轧和退火处理后的显微组织。可以看出，高熵合金由完全再结晶的等轴晶组成，表明铸锭经过87%变形量的冷轧与1073 K×1 h退火处理后能够完全再结晶。晶粒内与部分晶界上分布有弥散且尺寸为0.2~1 μm的近球形NbC颗粒。此外，基体内有明显的析出相，呈一定取向的条带状分布，推测是均匀化处理过程中未溶碳化物。
图1 （NiCoFeCrMn）98.4Nb0.8C0.8高熵合金微观组织
图2为（NiCoFeCrMn）98.4Nb0.8C0.8高熵合金的工程应力-工程应变曲线。（NiCoFeCrMn）98.4Nb0.8C0.8高熵合金在873 K变形时仍然保持着高强度和高伸长率。由于晶粒尺寸相近，因此忽略晶粒尺寸对其力学性能的影响。在673 K与873 K下，NbC颗粒显著提高了NiCoFeCrMn合金的屈服强度与抗拉强度，同时其塑性没有明显的下降。与OTTO F等采用晶粒细化强化NiCoFeCrMn高熵合金不同的是，NbC颗粒会在高熵合金变形过程中阻碍位错的运动，使其在NbC颗粒附近形成位错环，从而提高合金强度。
图2 （NiCoFeCrMn）98.4Nb0.8C0.8与NiCoFeCrMn高熵合金在673～1 073 K下的工程应力-工程应变曲线
图3 （NiCoFeCrMn）98.4Nb0.8C0.8高熵合金高温拉伸工程应力-应变曲线段
图4为（NiCoFeCrMn）98.4Nb0.8C0.8高熵合金在673～1 073 K拉伸断裂后的断口形貌。可以看出，673 K时，（NiCoFeCrMn）98.4Nb0.8C0.8高熵合金断口存在大量的韧窝，表现出明显的韧性断裂特征。随着变形温度升高，在873 K时断口表面的部分区域出现晶间断裂，在韧窝里存在很多细小颗粒。在高温拉伸试验过程中，材料会发生严重的塑性变形。在裂纹尖端发生动态再结晶，部分碎片在高温下熔化，这导致了细小颗粒的形成。KUMAR P等进行了Al0.5Nb1.25Ta1.25TiZr高熵合金在1 273 K和1 473 K下的拉伸，将合金的晶间断裂归结于沿晶界析出的富Al-Zr沉淀的形成。此外，研究也发现出现晶间断裂的温度范围与某些碳化物的析出温度范围有着密切的关系，提出碳化物的析出与晶界的分裂是导致合金晶间断裂的主要原因。在1 073 K下，由于拉伸温度较高且试样长时间暴露于空气中，高熵合金断口已经发生氧化。
图4 （NiCoFeCrMn）98.4Nb0.8C0.8高熵合金高温拉伸断口形貌
【主要结论】
（1）确定（NiCoFeCrMn）98.4Nb0.8C0.8 高熵合金由再结晶等轴晶与 NbC 沉淀相构成，组织特征明晰，为性能根源解读提供依据。
（2）证实该合金 873K 时屈服强度达 425MPa 且伸长率 50.5%，相比基体合金性能跃升显著，彰显 NbC 强化优势。
（3）判定 673 - 1073K 锯齿流变源于 Nb、C 掺杂致晶格畸变与 NbC 析出，精准揭示变形机制核心要素，指引后续研究方向。
【本文引用格式】
中文：刘辉，施洋，卢大海，等. NbC 沉淀强化 FeCoNiCrMn 高熵合金的高温力学性能 [J]. 特种铸造及有色合金，2024，44 (11)：1575 - 1579.
英文：LIU H，SHI Y，LU D H，et al. High - temperature mechanical behavior of NbC precipitation strengthened NiCoFeCrMn high entropy alloy [J]. Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44 (11)：1575 - 1579.
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【扩展阅读】
《特种铸造及有色合金》2024年第44卷第11期。