掺Sc的Al（0.3CoCrFeNiSc）和0.06高熵合金在高温变形过程中与析出物相关的变形建模及动态再结晶行为

《Journal of Alloys and Compounds》：Deformation modeling and dynamic recrystallization behavior of Sc-doped Al 0.3CoCrFeNiSc 0.06 high-entropy alloy associated with precipitates during high temperature deformation

针对Al0.3CoCrFeNiSc0.06高熵合金的热变形行为，通过构造型建模、加工地图分析和有限元模拟，结合微观结构表征，揭示了不同应变率下C-Arrhenius模型和人工神经网络（ANN）的预测效能差异。实验表明，ANN模型在整体应变率范围内表现更优，加工地图确定最佳变形窗口为1173-1248K、0.173-0.522s?1，微观结构显示双FCC相及析出相，动态再结晶机制受相组成和温度影响显著。研究结果为优化热加工参数提供了理论依据。

　　本研究聚焦于Al?.?CoCrFeNiSc?.??高熵合金的热变形行为，采用多种分析手段，包括本构建模、加工图分析、有限元模拟以及显微组织表征。研究发现，C-Arrhenius模型在低至中等应变速率范围内表现出良好的准确性，而人工神经网络（ANN）模型则在应变速率全范围内的预测性能更为可靠，成为描述合金变形响应的有效工具。加工图分析表明，当温度处于1173-1248 K，应变速率在0.173-0.522 s?1之间时，合金的功率耗散效率较高，这一区间被认为是理想的变形窗口。通过显微组织分析发现，变形后的合金主要由（Cr, Fe, Co）富集的面心立方（FCC）相和（Ni, Co, Sc）富集的FCC次相组成，同时还存在（Al, Ni）富集的B2析出相以及（Ni, Sc）富集的Laves析出相。在变形过程中，（Ni, Co, Sc）富集的FCC次相主要发生不连续动态再结晶（DDRX），而（Cr, Fe, Co）富集的FCC主相则表现出DDRX和连续动态再结晶（CDRX）两种机制。B2析出相通过阻碍位错运动，促进了亚晶的形成以及CDRX的进行。相比之下，Laves析出相对再结晶过程似乎没有明显影响，这一现象需要进一步研究。

高熵合金（HEAs）因其高强、高硬度和优异的耐腐蚀性，在机械制造、航空航天和能源工程等领域展现出广阔的应用前景。HEAs通常由至少五种金属元素组成，每种元素的原子百分比含量在5至35%之间，形成固溶体相，包括体心立方（BCC）、面心立方（FCC）或六方密堆积（HCP）结构，这些结构可能以单相、双相或多相形式存在。研究显示，BCC相的HEAs通常具有较高的强度，而FCC相的HEAs则以较高的延展性著称。然而，强度的提升往往伴随着延展性的下降，因此实现强度与延展性的最佳结合仍然是材料研究者面临的重要挑战。

近年来，FCC相的Al?CoCrFeNi合金因其在强度和延展性之间的良好平衡而受到广泛关注。研究表明，FCC相的HEAs可以通过多种机制实现这一平衡，包括析出强化、晶粒细化、相变、固溶强化、孪晶诱导塑性（TWIP）以及相变诱导塑性（TRIP）。热机械加工（TMP）通常包括重大的变形过程和随后的退火处理，以促进再结晶、孪晶、析出和相变等行为。适当的热机械加工能够实现FCC相Al?CoCrFeNi合金的高强度与良好延展性的结合。例如，Al?.?CoCrFeNi合金在经历约70%的冷轧和随后的1123 K时效处理后，获得了1146 MPa的抗拉强度和23%的延展性。同样，Wang等人在Al?.?CoCrFeNi合金经历70%的冷轧和1423 K的再结晶时效处理后，获得了约830 MPa的抗拉强度和48%的伸长率。

在HEAs中，热变形行为不仅受到合金组成和微观结构的影响，还受到加工条件的调控。不当的加工条件，如温度、应变或应变速率的错误设置，可能导致裂纹、空洞形成和塑性失稳等微观结构问题。因此，进行不同变形条件下的热模拟实验，有助于观察合金的硬化和软化行为，包括动态回复、动态再结晶和动态应变时效等过程。这些过程有助于在适当的温度和应变速率下实现安全的变形，从而降低微观结构缺陷的风险。鉴于这些考虑，有必要通过热变形实验研究HEAs的流动行为、微观结构演变和热机械加工图，以优化热机械加工参数。

为了更全面地了解HEAs的变形机制，近年来研究人员通过拉伸和压缩试验对高熵合金的高温变形行为进行了大量研究。根据其相组成，HEAs通常被分为单相、双相或多相合金。动态再结晶（DRX）行为受到材料的内在特性、热变形参数以及热加工过程中微观结构演变的影响。对于单相HEAs，研究发现其FCC相主要通过不连续动态再结晶（DDRX）机制进行变形。而FeCoCrNiAl?.?这一单相FCC合金则表现出CDRX和DDRX两种机制，其中CDRX通过亚晶旋转发生，而DDRX则通过晶界迁移进行。在Al?.?TiZrTa?.?NbMo这一具有BCC结构的HEAs中，温度升高和应变速率降低促进了DDRX向DDRX与CDRX耦合机制的转变。

在双相HEAs中，Al?.?CoCrFeNi合金的BCC相表现出CDRX机制，而FCC相则同时发生CDRX和DDRX。Jeong等人对双相（BCC和FCC）的Al?.?CoCrFeMnNi合金进行了研究，发现CDRX是两种相中的主导机制，其中BCC相的CDRX过程更为迅速。同样，Huo等人对Ni??Fe??Cr??Al??Mo?合金的研究表明，FCC相主要通过DDRX机制进行变形，而BCC相则以CDRX为主导。Cheng等人对Al?.?CrMnFeCoNi合金的研究进一步揭示，FCC相通过DDRX和CDRX耦合机制进行变形，该机制由孪晶和晶界膨胀特征，而BCC相则主要通过CDRX机制变形，由渐进的亚晶旋转驱动。对于多相HEAs，如AlCoCrFeNi，其高温变形主要通过CDRX和动态回复（DRV）机制进行，伴随着A2相的粗化和溶解，当变形温度达到1373 K时。Zarei-Hanzaki等人对AlCoCrFeNi?.?合金的研究表明，B2析出相在800°C时促进了FCC树枝状区域的应变适应，推动了树枝状结构的破碎和随后的CDRX过程。然而，在1000°C时，DRX被抑制，DRV成为主导的恢复机制。

此外，微量元素的添加对HEAs的微观结构和性能具有重要影响。氮（N）、钛（Ti）、锆（Zr）和铪（Hf）等元素的引入可以改变HEAs的微观结构，提升其可加工性、机械性能和耐腐蚀性。钪（Sc）在铝、镁、TiAl和钢系统中被广泛认为是一种有效的微合金元素，其作用包括细化晶粒、改变相组成、抑制再结晶以及提升机械强度、耐腐蚀性和蠕变性能，同时改善焊接性。在HEAs中，Sc的添加同样显示出显著的性能提升效果。Yusenko等人发现，将3 wt.% Sc加入Al?CoCrFeNi合金中，可以形成Al?Cu?Sc金属间相，从而提升硬度和热稳定性。Riva等人进一步发现，将0.3-0.5 wt.% Sc加入Al?CoCrFeNi、Al?.?CoCrCuFeNi和AlCoCrCu?.?FeNi等HEAs中，可以细化晶粒结构，提升硬度并增加电导率。在之前的研究中，我们发现Sc的加入可以将Al?.?CoCrFeNi合金的晶粒尺寸减少约50.6%，并诱导其从单相FCC结构向混合FCC+BCC结构转变。这些结果表明，Sc的添加能够有效提升FCC结构HEAs的强度和延展性。因此，Al?CoCrFeNiSc?合金可能是高性能量子结构材料的候选材料。然而，尽管对其关注度不断提升，目前对这类合金的热变形行为研究仍然较为有限，特别是其流动应力特性、变形机制和热加工性能尚未完全明确，亟需系统性的研究。

本研究通过在不同真实应变速率和温度条件下对Al?.?CoCrFeNiSc?.?? HEAs进行等温压缩试验，系统地分析了其热变形行为。我们开发了多个本构方程，以准确预测不同变形条件下合金的流动应力。为了提高合金的热加工性能，我们构建了加工图，以识别无缺陷生产的“安全”加工区域。同时，我们利用有限元模拟对合金的热变形行为进行了建模，为优化热加工参数提供了理论支持。此外，我们还通过扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）对变形后的合金微观结构和析出相进行了分析。本研究的最终目标是为选择合适的热机械加工参数提供依据，从而推动该合金在工业领域的应用。

在合金制备方面，本研究采用高纯度氩气气氛下的电弧熔炼法，使用纯度为≥99.9%的Al、Co、Cr、Fe、Ni和Sc金属块制备Al?.?CoCrFeNiSc?.?? HEAs。每个铸锭至少被重熔五次，以确保成分和微观结构的均匀性。铸造后的铸锭在氩气气氛炉中于1373 K下保温6小时，随后进行空气冷却，以获得均匀的微观结构。

等温热压缩试验采用Gleeble-3500热模拟仪进行，测试温度包括1173 K、1223 K、1273 K等。通过这一系列试验，我们能够获得合金在不同变形条件下的流动应力数据，并进一步分析其变形机制。试验过程中，我们调整了应变速率，以研究其对合金变形行为的影响。通过分析流动应力曲线，我们能够识别合金在不同应变速率和温度下的变形特征，从而为优化热机械加工参数提供依据。

流动应力的分析结果显示，合金的流动应力在变形初期随着真实应变的增加而上升，这是由于加工硬化效应，即位错的生成和运动导致材料硬度的增加。当流动应力达到峰值后，其逐渐趋于稳定，表明加工硬化和流动软化之间达到了动态平衡。这一现象表明，合金在特定的热加工条件下能够实现稳定的变形行为，从而避免微观结构缺陷的产生。

通过显微组织和析出相的分析，我们进一步揭示了合金在热变形过程中的微观结构演变。研究发现，变形后的合金主要由（Cr, Fe, Co）富集的FCC主相和（Ni, Co, Sc）富集的FCC次相组成，同时存在（Al, Ni）富集的B2析出相和（Ni, Sc）富集的Laves析出相。这些析出相的形成和分布对合金的变形行为和性能具有重要影响。B2析出相通过阻碍位错运动，促进了亚晶的形成以及CDRX的进行，而Laves析出相对再结晶过程似乎没有明显影响，这一现象需要进一步研究。这些结果表明，合金的变形机制与相组成和析出相的分布密切相关，反映了微观结构演变与热机械加工之间的复杂相互作用。

本研究的结论表明，Al?.?CoCrFeNiSc?.?? HEAs的热变形行为可以通过本构建模、加工图分析、有限元模拟和显微组织表征进行全面研究。主要结论如下：

首先，合金的流动应力在变形初期随真实应变的增加而上升，随后趋于稳定。我们开发了三种模型来描述这一行为：传统的Arrhenius模型、结合九次多项式的改进C-Arrhenius模型以及ANN模型。研究发现，ANN模型在预测合金的流动应力方面表现出更高的准确性，这使得其成为研究合金变形行为的有效工具。

其次，加工图分析表明，当温度处于1173-1248 K，应变速率在0.173-0.522 s?1之间时，合金的功率耗散效率较高，这一区间被认为是理想的变形窗口。在这一条件下，合金能够实现较高的塑性变形能力，从而避免缺陷的产生。

第三，显微组织分析表明，变形后的合金主要由（Cr, Fe, Co）富集的FCC主相和（Ni, Co, Sc）富集的FCC次相组成，同时存在（Al, Ni）富集的B2析出相和（Ni, Sc）富集的Laves析出相。这些析出相的形成和分布对合金的变形机制和性能具有重要影响。B2析出相通过阻碍位错运动，促进了亚晶的形成以及CDRX的进行，而Laves析出相对再结晶过程似乎没有明显影响，这一现象需要进一步研究。

此外，本研究的发现表明，Al?CoCrFeNiSc? HEAs的热变形行为与相组成和析出相的分布密切相关，反映了微观结构演变与热机械加工之间的复杂相互作用。因此，对于这类合金的深入研究不仅有助于理解其变形机制，还能为优化热机械加工参数提供科学依据。通过本构建模和加工图分析，我们能够更准确地预测合金的流动应力行为，为工业应用提供支持。同时，有限元模拟和显微组织分析进一步揭示了合金在热变形过程中的微观结构演变，为理解其变形机制提供了理论和实验依据。这些研究成果不仅有助于提升HEAs的热加工性能，还为开发高性能量子结构材料提供了重要参考。