导读：高强度有序金属间合金在复杂的结构应用中一直很受欢迎。然而，由于严重的晶界脆化，长期阻碍了其实际应用。具有 L12有序晶体结构的金属间合金在航空航天和发电中作为高温结构组件方面比传统的无序合金具有巨大的优势。特别是，长程有序（LRO）晶体结构产生元素之间的强化学键合，导致材料中相对较低的原子迁移率和独特的位错动力学，从而在高温下产生不寻常的屈服异常行为。然而，大多数传统的多晶金属间合金在拉伸变形过程中表现出严重的晶界脆化，这降低了其断裂韧性，限制了其制备能力在这里。研究人员已经意识到，这个脆性难题可以在很大程度上通过微合金调整的微妙操作来解决。然而，迄今为止所开发的大多数传统的 L12金属间合金的机械性能仍不令人满意。具有高强度和良好拉伸延性的金属间合金的发现仍然难以实现，这严重限制了其广泛的结构应用，并为其商业化造成了巨大的障碍。
目前，一个新的合金概念由多主元素合金（也称为高熵合金，或化学复杂合金）产生了大量的新型合金具有各种诱人的性能，包括优越的机械性能，缓慢的扩散、良好的耐腐蚀性等。基于这一概念，高熵材料的领域已扩展到多功能类别。特别是新兴的化学复杂金属间合金（CCIMAs）因其优良的力学性能而受到了广泛的关注在高温应用的巨大潜力。
例如，Yang等人提出了一种有趣的“界面无序纳米层（IDN）诱导延展化”方法，针对一种有趣的 L12型富镍CCIMA（，at.%），通过微妙地调节元素协同作用。其基本思想是一方面通过添加Ti元素来提高合金的反相边界（APB）能，另一方面在Co、Fe和B的协同共偏析行为的驱动下，沿晶界形成界面无序的纳米层。因此，这些因素一起使其同时增加了CCIMA的强度和延展性，这很容易超过传统的Ni3Al型金属间合金的性能。这些努力的成功重新点燃了人们对有序金属间合金的兴趣，并极大地鼓励了CCIMAs作为一种很有前途的高温应用结构材料的创造。
然而，与目前开发的富镍金属间合金相比，由于纯Co在熔化温度上的固有优势，富共镍金属间合金直观地有望达到更高的运行温度上限。这一特性使得富共镍材料比富镍合金具有大于50 ~ 100℃的熔点，使得富共镍金属间合金在高温下具有很大的结构应用前景。最近，Long等人深入开发了 L12型Co-rich（Co，Ni）3（Al，W，Ti，Ta）CCIMA（以下简称L26）作为高温结构材料的潜力。结果表明，L26 CCIMA具有良好的高温抗压强度和与Ni3Al化合物相当的蠕变性能，初步证明了富共相CCIMAs在高温应用中的潜在性能优势。然而，迄今为止，对这些CCIMA的拉伸性能及相关的塑性变形机理的研究仍较少。
在此，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院赵怡潞教授团队研究了一种具有非凡强度-延性协同作用的化学复合金属间合金，本文设计了一种具有 L12型有序结构的共富化学复合金属间合金（CCIMA），其超高抗拉强度为1611MPa，延性为37%。这些特殊的强度-延性组合的性能优于大多数常见的共相富金属间合金。Ta、Ti和V元素的多加成是 L12超晶格反相边界能显著增加的主要原因，这是其高强度的原因。这种高度的延性归因于共偏析诱导的有序-无序相变导致的晶界抗断裂性的增加，以及高的功硬化能力。相关研究成果以题“A Co-rich chemically complex intermetallic alloy with extraordinary strength-ductility synergy ”发表在金属顶刊Scripta Materialia上。
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223000969
图1.目前共富CCIMA的总体微观结构。(a)典型的SEM图像、(b) EBSD逆极图、(c)典型的TEM图像以及相应的晶粒内部选择的衍射（SAED）模式。反映SAED图中L12结构的微弱超晶格衍射点用黄色虚线圆表示。图1为设计的共富CCIMA的微观结构。沿样品法线方向拍摄的SEM图像（见图1a）和EBSD逆极点图（IPF，见图1b）清楚地显示出一个无纹理的等轴晶粒结构，平均晶粒尺寸为5.8 ± 0.7 μm。还要注意的是，尽管有少量随机分散的硼化物，但在目前的CCIMA中没有检测到二次沉淀。从透射电镜分析中获得的结构特征，包括亮场（BF）透射电镜图像和相关的选择区域衍射（SAD）模式沿着和区域轴（见图1c），进一步证明了这个共富CCIMA的颗粒内部包含一个单一的L12相。
图2.(a)高分辨率透射电镜图像和嵌入快速傅里叶变换（FFT）显示了在晶界形成的界面无序纳米层（IDN）；APT尖端单个元素图的(b)三维重建包含晶界；(c)和(d)在晶界上对应的化学剖面，显示了B和Co的共偏析行为。从目前的富钴CCIMA中重建一个典型的APT尖端，其中一个近边缘的晶界可以清晰地可视化。从图2b中的单个原子图来看，B显示了大量的分离，而Co则略有分离。图2c和d进一步给出了跨晶界的化学分布的精确定量测量。垂直于晶界平面获得的一维（一维）浓度分布表明，Co和B在晶界处发生共分离，同时Ni、Ti、Ti和Ta的耗尽。其他元素，如Al和V，没有表现出任何优先分离。与周围的籽粒内部相比，B和Co的富集率分别约为1%和3%。
图3.与研究丰富的金属间合金和L26 CCIMA的(a)拉伸性能；(b)和(c)分别将相应的工作硬化速率和工作硬化指数作为真应变的函数。显示了当前共富CCIMA在环境温度下的机械性能（拉伸变形）。与化学简单的共富L12金属间合金（即Co3Ti 和Co-12Al-11 W ）以及早期的多组分L12型金属间合金（即L26金属间合金）相比，我们目前的共富CCIMA具有优异的拉伸性能（屈服强度~748 MPa，极限抗拉强度~1611 MPa）和异常大的延性（~37%）。一般来说，L12金属间合金的强度源于APB域的形成所引起的高变形阻力，并随着APB能量的增加而增加。存档文献表明，多组分镍基超合金中L12相的APB能量（）对合金的组成非常敏感。
图4。(a)透射电镜图像显示了2%塑性应变变形样品的主要变形子结构。验证了超晶格位错的对化特征，并如图所示；(b)和(c)弱束暗场（WBDF）显微图显示了超晶格螺旋位错段（X、P、C）的不同分离行为；(d)和(e)核平均位错（KAM）图和TEM图像显示了晶界附近有益的IDN在粒界区域具有较强的承载能力。图a显示了典型的透射电镜观察变形子结构的2%真塑性应变。采用弱光束暗场（WBDF）技术所示区域的放大图，其中超晶格位错对清晰可见。超晶格位错对之间的分离距离在2.5 ~ 6 nm之间。超晶格位错在倾斜过程中分离距离的变化，表明了超晶格位错在不同平面上的X、P、C段的解离。经过仔细分析，超晶格位错的C段似乎经历了立方体交叉滑移。当立方体交叉滑移平面接近边缘投影时，位错趋于重叠，因此可以推断出这一趋势（见图4b）。
综上所述，本文设计并成功地制备了一种在晶界处形成界面无序纳米层的共富L12型化学复合金属间合金（CCIMA）。这种有趣的结构使这些CCIMA具有优越的机械性能，超过了大多数传统的富共相金属间合金。具体来说，Ta、Ti和V元素的多加成大大增加了反相边界能量，导致位错运动障碍升高，从而增加了强度。在如此高的强度水平下，我们的CCIMA的大延性可以归因于高加工硬化能力和IDNs在晶界提高的抗断裂能力的综合效应。对变形微观结构的详细分析表明，目前CCIMA的高功硬化能力可以归因于多重滑移系统的超晶格位错的相互作用及其相关的拖动效应。此外，在Co和B元素元素共偏析的驱动下，无序纳米层产生了相对不扭曲的晶界区，允许位错活动发生更大的自由度，从而提高了合金的抗断裂性。本研究为了解CCIMA变形行为的微观机理提供了见解，并为开发提高高温力学性能的CCIMA提供指导。