多场耦合下高熵合金复合材料内生相演变行为及纳米形变孪晶强韧化机理研究

High entropy alloys (HEAs) with simple solid solution structures have exhibited interesting properties such as high hardness and high strength, good thermal stability , outstanding wear and oxidation resistance. However, The negative effect, both the hardness and ductility can not be acquired, is the critical problem for engineering applications. In the present project, a ductibility HEA system, forming in Multi-field coupling, will be carried out to understand the effect of nano ceramic phase with fcc-bcc simple solid solution on the high strength and ductility properties. In this proposal, we will systematic study the preparing of HEA metal composite (HEAMCs)reinforced by in situ ceramic phase and the formation thermodynamic of simple solid solution. The consolidation principle of HEA powders and the constituent and microstructure of solution phases in Multi-field coupling, as well as the influence of the solidification parameters on the consistency and constituent phases and microstructure and mechanical behaviors will be investigated. the interfacial microstructure between the ceramic reinforcements and the metal matrix and the effects of the characterisation,size and distribution of the ceramic phase on the twin deformation behaviour of the HEAMCs will also be analysed . The the formation, slide and expansion ，interaction , storage of deformation twins will be observed,micromechanical model of HEA composites will be found based on the finite element method analysis. We will further develop the solid solution strengthening and toughening mechanisms of the HEA composites, and then propsoe a new theory to guide the preparation of low-cost and high-toughness HEA composites.

具有简单固溶体结构的高熵合金具有高强度、高硬度、高加工硬化、高耐磨、高温稳定性和耐蚀性等优异性能，但其高强硬性与高韧塑性不可兼得是制约该材料工程应用的关键。本项目选取韧性的高熵合金体系为研究对象，采用多场耦合技术制备由析出纳米陶瓷相和fcc-bcc混合固溶体共同增强的高强韧HEAMCs，研究原位自生陶瓷增强高熵合金材料制备及固溶体形成的热力学问题；分析物理场下合金粉末致密化机理，固溶体相组成与结构，以及固结参数对HEAMCs致密度、相组成、微观结构和力学行为等的影响规律；研究陶瓷相与基体的界面结构，及其形貌、尺寸和分布对HEAMCs形变孪晶形成过程的影响规律；实验结合有限元模拟对HEA复合材料的形变孪晶晶界面位错形核、滑移及攀移、交互、储存对材料的强韧化影响机制，构建复合材料韧化的细观力学模型，为制备低成本、高强韧的HEA复合材料提供理论依据。

本项目选取了韧性的面心立方结构的高熵合金高熵合金体系为研究对象，采用多场耦合技术（SPS）制备纳米陶瓷相增强的高强韧HEAMCs。项目研究了体系高熵合金材料固溶体形成的热力学问题及固溶体相演变规律；对所制备的高熵合金基复合材料进行TEM测试，面心立方结构固溶体生成的同时降低了合金体系的层错能，在受到烧结压力以及硬质点陶瓷相的挤压作用下，发生沿以[ 011]为孪晶轴发生了挛变。对应的衍射阵点（200）与（022）发生孪晶形变，依次向滑 移方向移动了大约4-6nm的距离。因此，在面心立方的高熵合金基复合材料中，产生孪晶 的孪晶系为{111}<112>，另外在同一个晶粒中会产生多个孪晶系，也就是产生多层十几纳米孪晶层片；复合材料的力学测试：对所制备的高熵合金基复合材料进行压缩试验测试。获得的复合材料屈服强度、断裂强度、压缩率及硬度分别为：1730±15MPa，2260±15 MPa，32.50% 和645Hv。 本项目发展了纳米孪晶高熵合金的制备技术，将原位生成陶瓷相及易于发生形变孪晶的单一面心立方 结构FCC高熵合金相结合，采用机械合金化及放电等离子烧结技术制备出可控的纳米孪晶高熵合金基复合材料。改变了已有的高熵合金的脆性断裂机构，在纳米孪晶的形成的条件下伴随着不全孪晶界、层错等高密度缺陷出现在高熵合金基体中，在材料受力的过程中，通过不全孪晶界、层错的滑移，是材料产生了较大的宏观形变，由单一脆性断裂演变为韧性断裂。又由于高熵合金的中的硬质陶瓷颗粒的强化、位错的塞积等因素，高熵合金复合材料提高韧性的同时并未造成强度降低。完成了纳米孪晶高熵合金强韧化的设计初衷，这一成果可为新型高强韧HEA复合材料的开发提供借鉴。