超细晶粒CrMoNbTiW耐火高熵合金中的早期动态再结晶与流动局部化现象

《Materials Science and Engineering: A》：Early dynamic recrystallization and flow localization in an ultrafine-grained CrMoNbTiW refractory high entropy alloy

动态再结晶（DRX）和流局部化（FL）主导了 refractory high-entropy alloys（RHEAs）的热变形行为，但其超细晶粒粉末冶金合金中的顺序尚不明确。本研究通过机械合金化和火花等离子烧结制备的CrMoNbTiW RHEA，在1300℃和10?1 s?1条件下进行中断压缩试验，结合EBSD和ODF分析，揭示了DRX在极低应变（ε≈0.013）即启动，并通过软化促进流局部化（FL）在ε≈0.2时形成。DRX驱动的局部应变积累导致剪切带（SB）在0.3应变后显著发展，而DRX分数在0.4应变时骤降后又回升。微观组织分析表明，DRX优先发生在晶界外区域，并通过{111}取向的择优再结晶形成纤维织构，而流局部化伴随高密度几何必要位错（GND）和次生相动态演变。研究证实DRX是FL的先导机制，并定义了安全应变范围为ε<0.2。

　　本研究聚焦于一种特殊的材料——难熔高熵合金（RHEA），特别是CrMoNbTiW合金。这种合金因其在高温环境下的卓越性能而备受关注，包括出色的热稳定性、高温强度以及耐磨性。这些特性使其成为航空航天推进系统和核反应堆等极端环境应用的潜在候选材料。然而，尽管已有大量研究探讨了RHEA在高温载荷下的变形行为和微观结构演变，但对动态再结晶（DRX）和流动局部化（FL）这两个关键软化机制之间的关系，特别是在超细晶粒、粉末冶金处理的RHEA中，仍缺乏系统性的理解。本文旨在填补这一研究空白，通过实验和分析揭示这两种机制的相互作用，并为高温应用中合金的设计与加工提供理论支持。

### 材料特性与研究意义

RHEA通常由多种难熔元素组成，这些元素的比例接近等原子比，从而形成独特的微观结构和性能。与传统的单相合金相比，RHEA具有多相结构，这为其提供了更高的强度和更好的抗高温性能。然而，这种多相结构也带来了复杂的变形行为。特别是在超细晶粒条件下，材料的变形机制可能会发生变化，使得DRX和FL的相互作用更加显著。因此，理解这两种机制的演变过程对于优化合金的高温加工性能和提升其在极端环境下的应用可靠性至关重要。

研究团队采用机械合金化（MA）和火花等离子烧结（SPS）技术制备了CrMoNbTiW RHEA。这两种方法能够有效控制材料的微观结构，使其具有超细晶粒尺寸（约270纳米）以及次要的TiC和Cr?Nb莱氏体相。这种非平衡的微观结构不仅影响了材料的塑性变形能力，还可能在高温变形过程中改变DRX和FL的行为。通过系统地研究这些机制在高温压缩条件下的演变，本文试图揭示DRX如何在FL之前发生，并为后续的合金设计和加工策略提供理论依据。

### 实验方法与技术手段

为了探究CrMoNbTiW RHEA在高温下的变形行为，研究团队采用了一种中断热压缩试验的方法。实验在1300°C和10?1 s?1的应变率下进行，通过对不同应变水平（0.02至0.50）的样品进行微观结构分析，观察DRX和FL的演变过程。实验过程中，样品被加热至目标温度后，迅速进行压缩变形，并在不同应变点中断，以获取详细的微观结构信息。

在分析过程中，团队使用了扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）技术。EBSD不仅能够提供晶粒取向信息，还能通过晶粒取向散度（GOS）来判断DRX的形成程度。此外，团队还利用图像分析软件（如TSL-OIM）对晶粒尺寸、再结晶分数和几何必需位错密度（GND）进行了定量评估。通过这些技术手段，研究团队能够深入理解DRX和FL在不同应变水平下的发展规律及其对材料性能的影响。

### 结果分析：DRX与FL的演变

研究结果显示，DRX在非常低的应变水平（ε ～ 0.013）下就开始发生，并在ε = 0.5时达到约48%的再结晶分数。这一发现表明，DRX在高温变形过程中起着重要的软化作用，且其发生时间比传统的粗晶粒RHEA更早。同时，流动局部化（FL）则在更高的应变水平（ε ～ 0.2）下显现，表现为剪切带（SBs）的形成。剪切带的宽度在ε = 0.3时为3 ± 0.5微米，而在ε = 0.5时扩大至30 ± 10微米，显示出随着应变增加，剪切带的宽度也在增长。

进一步的分析表明，DRX的形成在剪切带外部更为显著。这是因为剪切带内部由于局部应变集中和高温导致的软化，使得DRX的形成受到抑制。相反，剪切带外部的应变分布相对均匀，为DRX的形成提供了更有利的条件。这一现象支持了DRX作为FL的前驱机制的观点，即DRX通过降低局部流动应力，促进了应变集中，从而有利于剪切带的形成和扩展。

此外，研究还发现，随着应变的增加，DRX的再结晶分数呈现出先上升后下降再上升的趋势。这一现象可能与DRX的动态演变过程有关，尤其是在高应变和高应变率条件下，DRX的形成可能受到多种因素的影响，包括位错密度的增加、晶界迁移的延迟以及第二相的演变。值得注意的是，尽管DRX在某些阶段会减少，但其在高应变水平下再次增加，表明DRX和FL之间存在复杂的相互作用。

### 微观结构与变形机制的关系

在CrMoNbTiW RHEA的微观结构中，存在硬相（如TiC和Cr?Nb）和软相（如BCC相）的共存。这些相之间的相互作用对变形行为有着重要影响。硬相的存在可能阻碍位错的运动，从而在相邻的软相中产生应力集中，促进剪切带的形成。同时，硬相也可能通过引入局部应变梯度和位错密度的变化，影响DRX的形成和演化。

研究还发现，随着应变的增加，第二相的体积分数保持不变，但其长宽比（aspect ratio）发生了显著变化。这种变化可能与第二相在变形过程中的塑性变形能力有关，表明第二相在不同应变水平下可能表现出不同的变形行为。此外，高应变率条件下的热效应可能进一步加剧了材料的软化，导致剪切带的形成和扩展。

### 取向演变与材料性能

除了DRX和FL的演变，研究还关注了材料在高温变形过程中的取向演变。通过EBSD和ODF分析，团队发现CrMoNbTiW RHEA在变形初期表现出强烈的γ纤维（{111} // ND）取向，这一取向在后续变形过程中逐渐减弱，最终趋于稳定。这种取向的演变可能与DRX和FL的相互作用有关，表明材料在变形过程中经历了一个从均匀变形到局部化变形的转变。

值得注意的是，尽管DRX和FL会降低材料的存储能量，但它们并未显著改变主要的取向特征。这表明，取向的演变主要由变形过程中的取向核化（ON）和选择性生长（SG）机制驱动。在ON模型中，特定的晶粒取向更容易形成，从而在最终的微观结构中留下明显的取向特征。而在SG模型中，晶粒则倾向于沿有利于生长的方向扩展，形成特定的取向分布。CrMoNbTiW RHEA的取向演变过程似乎更符合ON机制，即{111} // ND取向在变形过程中得到了保留。

### 未来研究方向与应用前景

尽管本研究已经揭示了DRX和FL在CrMoNbTiW RHEA中的相互作用，但仍有一些问题需要进一步探讨。例如，第二相在DRX和FL过程中的具体作用尚未完全明确，这可能需要通过更深入的实验和分析来解决。此外，DRX和FL对材料长期性能（如蠕变和疲劳）的影响也需要进一步研究，以评估其在实际应用中的可靠性。

本研究的结果不仅有助于理解RHEA在高温变形下的行为，还为开发更高效的热加工策略提供了理论支持。通过控制应变水平和应变率，可以优化DRX和FL的相互作用，从而提高材料的热稳定性、高温强度和抗剪切带能力。这对于提升RHEA在航空航天、核能等高技术领域的应用前景具有重要意义。

### 结论

综上所述，本研究通过系统地分析CrMoNbTiW RHEA在高温压缩下的变形行为，揭示了DRX和FL之间的相互作用机制。研究发现，DRX在非常低的应变水平下就开始发生，并在FL之前起着关键的软化作用。此外，材料的取向演变主要由取向核化机制主导，且DRX和FL对取向的改变有限。这些发现为理解RHEA在高温条件下的变形行为提供了新的视角，并为未来合金设计和加工工艺的优化奠定了基础。