VCoNi中熵合金力学性能的温度依赖性研究*

丁晨阳,施 洋,张长军,冯颖颖,孙傲然,孟令坤,马文君

(1. 长安大学 材料科学与工程学院，西安 710061； 2. 西安理工大学 材料科学与工程学院，西安 710048)

0 引 言

高熵合金是一种多组元构成的合金，各种组元之间按等原子比或者接近等原子比组成[1-3]。由多组元构成的单相高熵合金拥有优越的力学性能[4-6]，例如高硬度，良好的高温抗软化性能，高的低温韧性等。高熵合金可以形成FCC、BCC、HCP结构的单相合金或者多相组合的结构。相比较其他结构的高熵合金，FCC结构的高熵合金由于滑移系多[7-9]，具有良好的塑性和断裂韧性，有利于加工和成形等诸多优点而成为高熵合金的研究焦点[10-13]。同传统材料一样，高熵合金的首要的任务是需要以便捷和低廉的方式进行性能强化[14]。近些年来，科学家致力于通过大变形、成分设计等途径来制备出性能更优的高熵合金[15-16]。有研究学者利用严重的晶格畸变设计了一种简单的VCoNi等原子中熵合金[17]，该合金具有近1 GPa的屈服强度和良好的延展性，优于传统的固溶合金，实现了强度和塑性的最优匹配。但是目前对该合金力学性能的研究仅涉及室温。

由于服役环境不同，不同的高(中)熵合金在各个温度下性能的波动也引起了许多科学家的关注[18-21]需要注意的是，以往所报道的材料对温度的依懒性研究的合金均未涉及到VCoNi中熵合金。该合金在不同温度下，特别在77～773 K温度范围内，变形机制尚不明确。本文采用大变形轧制以及淬火工艺制备VCoNi，并通过不同温度下的拉伸试验，研究了温度对VCoNi中熵合金变形行为的影响。

1 实 验

试验采用高纯度的V、Co、Ni颗粒为原料(纯度≥99.5%)，表1为按照VCoNi的原子比计算出各元素的所需质量，进而称取、配比。使用非自耗型真空熔炼炉进行VCoNi中熵合金的熔炼。为保证成分均匀，至少反复熔炼4次并进行电磁搅拌(成分均匀)。熔炼后铸锭尺寸为100 mm×20 mm×10 mm。

表1 VCoNi各元素所需质量(g)

将熔炼后的铸锭使用小型同步轧机进行变形量为85%的轧制，将轧制后的试样1 100 ℃退火半小时、水淬。将热处理之后的试样用电火花线切割为“狗骨头”状拉伸试样，试样测试段尺寸为10 mm×2.5 mm×1.3 mm。样品分别在77、293、573以及773K的温度下进行拉伸试验。使用万测-ETM105D万能拉伸试验机进行不同温度条件拉伸试验，为保证数据的真实性，每组参数重复三次试验；使用日本岛津X射线衍射仪(XRD-7000S)对不同温度拉伸试样进行晶体结构分析，其中扫描角度为20°～95°，扫描速度为3°/min；使用JSM-6700F型冷场发射扫描电子显微镜观察样品微观组织形貌并统计平均晶粒尺寸；采用JEF-2100型透射电子显微镜(TEM)对拉伸样品进行微观组织表征。

2 结果与讨论

2.1 合金的初始组织表征

图2.1为VCoNi经轧制后的微观组织EBSD反极图及XRD衍射图谱。从图1(a)中可以看出，样品的微观组织主要由孪晶和等轴晶组成，利用EBSD线型截距法统计了样品的平均晶粒尺寸为10.26 μm；此外，图1(b)的XRD衍射图谱表明，合金具有FCC结构的特征峰谱，该合金晶体结构为单相FCC。

图1 VCoNi合金的：(a)EBSD反极图，(b)XRD衍射图谱Fig 1 Microstructure of VCoNi alloy: (a) IPF; (b) XRD pattern

2.2 不同温度下VCoNi中熵合金的变形行为

图2为VCoNi合金在77～773 K下的工程应力-应变曲线(拉伸速率为0.25 mm/min)，相关力学性能指标总结于表2。

图2 VCoNi合金在77～773K的应力-应变曲线Fig 2 Stress-strain curve of VCoNi alloy at 77-773 K

可以看出，在77 K时，合金的塑性和强度均达到最大值。试验温度自室温上升到573 K，材料的强度和塑性基本稳定。在293 K，应力-应变曲线上首次出现了锯齿现象(急剧流变)，锯齿流变效应多出现于不锈钢中，在中(高)熵合金中还未曾提及。随着温度的升高，延伸率没有大的起伏，表现出了该材料的塑性不失稳特性，该特性在中(高)熵合金中还鲜有报道。当温度达到773 K时，锯齿现象加强，且各项力学性能指标有了明显的下降，表明该材料在高温下性能及其不稳定，这为该材料在高温下的应用提供了指导作用。

表2 VCoNi合金在77～773 K的力学指标

2.3 不同温度拉伸后VCoNi中熵合金的XRD衍射分析

图3为不同试验温度下VCoNi的XRD衍射图谱。从图中可以看出，该材料在低温(77 K)时，其晶体结构仍然保持FCC结构，无其他新相的析出； 573 K时，合金的衍射图谱所对应的特征峰发生了改变，在FCC结构的(100)附近，有新的峰谱出现，该峰谱的出现与其应力-应变曲线上所出现的锯齿流变所对应。因此该新相的研究，对合金的力学性能至关重要。

图3 不同试验温度下VCoNi的XRD衍射图谱Fig 3 XRD patterns of VCoNi at different test temperatures

为证实实验中析出相的确是在拉伸过程中析出，另模拟573 K高温拉伸的温度和时间在马弗炉中对试样进行同等条件热处理，XRD对比证实，同等热处理条件下VCoNi合金中没有新相的生成，确认了该相的产生是温度和应力的共同作用，而非温度的单独作用。

2.4 不同温度拉伸后VCoNi中熵合金的TEM分析

结合上述的力学数据以及XRD图谱，选定77 K的拉伸试样和573 K的拉伸试样进行TEM分析。

如图4所示，在77 K拉伸试样的TEM图片中发现了大量的位错亚结构缠绕和孪晶整齐排列分布。孪晶的出现降低了位错滑移的平均自由程，阻碍位错滑移运动，产生“动态Hall-Petch效应”，同时提高了该合金的应变强化能力，因此在低温下，VCoNi中熵合金的强度和塑性同时得到了提升。

图4 77 K试样的TEM图Fig 4 TEM images of 77 K sample

如图5所示，573 K拉伸环境下的合金，在位错与孪晶的交界处附近，有尺寸一致、分布均匀的新相析出(图中用红圈标记)。77，293 K的实验温度下是没有新相的生成。而该新相的生成正好对应了工程应力-应变曲线上的锯齿流变。一般材料中锯齿效应的形成机理为：当环境温度不高的时候，溶质原子扩散能力差，不能形成气团钉扎位错，随着塑性变形的增加，位错平滑的运动，宏观上不会出现锯齿；随着环境温度的升高，材料处于中间变形温度区间，溶质原子更容易扩散，此时，溶质原子形成气团，钉扎位错，随着塑性变形的增加，位错挣脱溶质原子束缚，应力迅速减少，在钉扎和脱钉的过程的重复发生，宏观上产生锯齿。

图5 573 K试样的TEM图Fig 5 TEM images of 573 K sample

3 结 论

(1)在高温拉伸时VCoNi中熵合金其力学性能表现出明显的塑性不失稳现象；但VCoNi中熵合金的拉伸性能曲线又区别于其它中(高)熵合金，有明显的锯齿流变现象,该锯齿流变产生的主要原因是由第二相的析出。

(2)高温拉伸下VCoNi中熵合金有明显的新相生成，使得宏观上力学性能发生改变，微观上XRD图谱有杂峰出现。低温拉伸时，材料内部的大量孪晶和位错亚结构是其力学性能提高的主要原因。

(3) VCoNi中熵合金的性能不稳定，随着服役温度的变化，其力学性能有明显的起伏，该性能对其实际应用有了极大的限制作用。