烟台大学《Acta Materialia》：一种极其耐高温蠕变性的高熵合金

由于受到越来越严苛的环保和经济约束，火力发电厂在如何减少温室气体排放同时提高运行效率上面临巨大挑战。由于发电效率取决于运行蒸汽温度、压力和时长，因此提高发电核心部件用结构材料的蠕变性能尤为重要。然而，由于商用铁素体钢在较高温度下的抗蠕变能力有限，由其制造的锅炉、蒸汽轮机和燃气轮机只能在893 K以下的温度下运行，极大地限制了发电效率的提升。

高熵合金是近年来一种备受关注的新型合金。高熵合金在极端环境下具有优异的性能，例如，显著的高温强度、抗辐射和抗氧化能力。并且，高熵合金广阔的成分调节空间为开发具有不同性能和目标属性的关键结构材料带来了巨大的机会。根据文献研究发现，具有面心立方结构的高熵合金因其成本低、抗氧化和耐腐蚀性优异、微观结构可调以及高温强度高被认为是抗蠕变合金设计的最有潜力的候选材料。然而，目前针对高熵合金在高温蠕变下的研究多局限于单相合金，在析出相对合金的蠕变性能及变形机制的影响研究上尚不全面。

烟台大学陈淑英副教授联合美国田纳西大学和橡树岭国家实验室主导研究了Al_0.3CoCrFeNi合金在973-1033 K条件下的蠕变行为。该合金在高温长时加载条件下展现出极其优异的耐蠕变性，比如最小蠕变率比已报道的高熵合金和部分传统合金低至1-4个数量级。研究发现，单相FCC Al_0.3CoCrFeNi固溶体合金在长时蠕变中产生外应力驱动内禀自生沉淀强化相，其对合金的变形机制和蠕变性能具有关键影响。据此，创新性地提出利用沉淀强化相大幅提高合金的蠕变强度。上述优异的高温蠕变性能得益于在长时间高温加载时，初始的单相面心立方结构在长时间高温加载环境下形成了大量L1₂与B2析出相，在合金的高温变形中起到了显著的强化左右，延长了蠕变寿命，并大大降低了高温蠕变率。相关论文以题为：“Extraordinary creep resistance in a non-equiatomic high-entropy alloy from the optimum solid-solution strengthening and stress-assisted precipitation process”发表在金属顶刊《Acta Materialia》。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118600

如下图所示，在973K下，本研究对Al_0.3CoCrFeNi与其他已报道的部分高熵合金和传统合金的最小蠕变率进行了比较。研究表明Al_0.3CoCrFeNi合金表现出极其优越的耐高温蠕变性，最小蠕变率比已报道合金低1-4个数量级。这种优异的高温性能归功于显著的固溶强化，低的层错能与蠕变过程中不断产生的L1₂与B2相引起的析出强化作用的最佳结合效果。

下图给出了Al_0.3CoCrFeNi合金在不同蠕变时间下对应的三维原子探针结果。从图中可看出富Cr和富Ni、Al元素的析出相，与扫描电镜的结果是一致的。尤其是随着蠕变过程的延长，富Ni与Al元素的析出相呈现出明显的含量变化，

结合激活能计算和透射电镜表征的结果分析表明在973K下蠕变变形早期主要是L1₂析出相-位错和位错滑移。当蠕变进行到晚期时，产生了越来越多的B2析出相，并取代L1₂作为可移动位错滑移的主要障碍。与其他高熵合金和传统合金相比， Al_0.3CoCrFeNi 合金具有显著降低的最小蠕变率、高应力指数和高的激活能，表明高温性能得到显著改善与提高。这是由于它们显著的固溶强化、沉淀强化和基体的低层错能的综合作用所引起的。这种应力选择析出过程为我们未来设计抗蠕变材料提供了一种新策略。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。