CoCrFeNi基高熵合金中多主元纳米析出强化相的成分配分与调控

Recently, the CoCrFeNi-based high entropy alloys have attracted many attentions due to their excellent properties such as low temperature ductility and radiation resistance and show important potential applications in the aerospace and nuclear energy industries. However, the low strength greatly limits their future applications. It has been approved that the multi-component γ' nanoparticles strengthening is one of the most effective methods to enhance the mechanical properties of high entropy alloys. As the mechanical properties is directly affected by the composition of multi-component γ' nanoparticles, therefore it is important to clarify the elemental phase partitioning in the high entropy alloys. However, due to the research system is very complex, this topic is still lack of research. In this proposal, by focusing on the multi-component γ' nanoparticles strengthened CoCrFeNi-based high entropy alloys, we will analyze the lattice structure by high-resolution transmission electron microscope; analyze the elemental phase partitioning by atom probe tomography; by combining the first principle calculations, clarify the elemental phase partitioning mechanism and realize the regulation of elemental phase partitioning. The completion of this project will pave the way for the design of high-performance CoCrFeNi-based high entropy alloys.

近年来，CoCrFeNi基高熵合金以优异的塑性、低温韧性及抗辐照性在航天及核能领域表现出重要的应用前景而引起高度关注。但是，低强度成为CoCrFeNi基高熵合金实际应用的瓶颈。研究表明多主元γ'纳米颗粒可显著提高该合金的力学性能。多主元γ'纳米颗粒析出强化已经成为高熵合金研究的热点。由于高熵合金中多主元γ'纳米析出相的成分变化直接影响合金强度和塑性，因此γ'纳米析出相的成分配分规律成为亟待解决的关键科学问题。本项目以CoCrFeNi基高熵合金为研究对象，通过引入Ti、Al获得γ'纳米析出相，采用透射电镜确定析出相的晶体结构；通过三维原子探针分析合金成分，获得析出相的成分配分规律；结合第一性原理揭示合金元素在基体和析出相间成分配分的内在机理，最终获得γ'纳米析出相的成分配分调控方案。本项目的完成将为高性能CoCrFeNi基高熵合金的设计提供理论基础，促进CoCrFeNi基高熵合金的发展。

近年来，基于CoCrFeNi的高熵合金因其优异的塑性、低温韧性和辐射抗性而受到广泛关注，这使它们在航空航天和核能领域具有重要的应用前景。然而，低强度已成为制约CoCrFeNi高熵合金实际应用的瓶颈。本项目以CoCrFeNi基高熵合金为研究对象，通过引入Ti、Al获得γ'纳米析出相，结合透射电子显微镜，三维原子探针和第一性原理，系统的研究了CoCrFeNi基高熵合金中多主元γ'纳米析出相的成分配分规律和内在机制。本研究制备了三种不同成分的高熵合金，包括Ni2CoFeCrTixAly（其中x+y=0.3，x/y分别为2、1和0.5），它们具有相同的总Ti和Al浓度，但不同的Al/Ti比例。透射电子显微镜结果显示在700度和800度热处理后，三种样品中均析出了纳米颗粒，纳米颗粒中的结构为γ'相的L12结构，基体为面心立方相。三维原子探针结果表明γ'纳米颗粒的组成为(NiCoFeCr)3TiAl，且该组成与Ti/Al比值无关。此外，作为γ'纳米颗粒的主要成分中，Ni含量基本不变，但随着Ti/Al比值的降低，Ti含量下降、Al含量上升。另一方面，随着Ti/Al比值的降低，γ'纳米颗粒中Fe和Cr含量大幅增加，而Co含量减少。第一性原理计算结果表明Co、Fe和Cr替换L12结构中Ni位点而非Ti和Al点位。另外，与Fe和Cr相比，Co的形成能最小。导致Co形成能小的主要原因是Co很容易和周围的Ti或Al形成强的化学键。通过计算我们还发现Fe原子容易取代Cr原子。该研究结果为多主元γ'纳米颗粒强化高熵合金奠定理论基础，有助于CoCrFeNi基高熵合金的发展。