碳掺杂Fe-0.5CrMnAlCu高熵合金的微观结构及压缩变形行为

《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructure and compressive deformation behavior of carbon-doped Fe 0.5CrMnAlCu high-entropy alloy

高熵合金Fe0.5CrMnAlCu中碳含量（x=0-0.25）对微观结构和力学性能的影响研究表明，合金由BCC、B2和L21相组成，碳化物分布在枝晶间，枝晶内存在纳米级AlCu2Mn析出相。当x=0.15时综合性能最佳，屈服强度1314.09 MPa，压缩强度1894.74 MPa，延伸率20.15%。强化机制源于固溶强化和碳化物/析出相的沉淀强化作用。

　　

Kai Ma|Li Feng|Jianjun Liu|Yanchun Zhao

中国兰州工业大学有色金属先进加工与回收国家重点实验室，兰州730050

摘要

研究了Fe_0.5CrMnAlCuC_x（x = 0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25）高熵合金的微观结构和压缩性能，结果表明这些合金同时具有树枝状和晶间结构。Fe-、Mn-和Cr-富集的树枝晶中存在AlCu₂Mn纳米沉淀物，金属（Fe、Mn和Cr）碳化物集中在Cu-富集的晶间区域，而Al在树枝晶和晶间区域均匀分布。随着碳含量的增加，屈服强度先升高后降低。当x = 0.15时，合金获得了最佳的整体机械性能，其屈服强度、压缩强度和伸长率分别为1314.09 MPa、1894.74 MPa和20.15%。机械性能的提高归因于固溶强化以及L2₁或B2碳化物和纳米碳化物引起的第二相强化。

引言

2004年，学者们提出了高熵合金（HEAs）这一新型合金，由于多种元素的存在导致滞后扩散和严重的晶格畸变，因此它们表现出优异的结构稳定性和机械性能[3], [4], [5], [6], [7], [8]。引入原子尺寸较小的非金属元素（如C、B或N）可以通过与合金元素反应生成碳化物、硼化物或氮化物来诱导第二相强化。这些元素还可以以间隙原子的形式溶解在合金基体中，从而增强沉淀强化和间隙固溶强化[9], [10], [11], [12]。

作为原子尺寸较小的非金属元素，C原子可以引起晶格畸变并影响位错相互作用，从而提高HEAs的机械性能[13], [14], [15]。Bai等人[16]发现添加碳会形成（C, Mn, Cr）富集的FCC相，其体积分数随碳含量的增加而增加。碳的添加还产生了L2₁纳米颗粒。FCC相的形成增加了HEA的压缩应变，而L2₁纳米颗粒的形成通过沉淀强化显著提高了屈服强度。当碳含量为2.0 at.%时，强度和延展性达到了平衡。Wang等人[17]报告称，随着碳含量的增加，Fe_40.4Ni_11.3Mn_34.8Al_7.5Cr₆ HEA的晶格常数线性增加，导致屈服强度也线性增加。添加碳导致晶格应变为0.78 at.%，并通过固溶强化使屈服强度提高了184 MPa/at.%。添加的碳原子使合金中的位错从波状滑移转变为平面滑移，在高应变区域形成了微带，进一步增强了HEA的性能。Guo等人[18]通过热处理工艺制备了含有纳米沉淀物和异质晶粒尺寸分布的FeCoCrNiMn-0.5 at.%C HEA，其中粗大的M₂₃C₆倾向于在细晶粒的晶界处形成。这种异质HEA表现出双峰晶粒结构，细晶粒（小于3 μm）的体积分数较高，屈服强度从552 MPa提高到了632 MPa。Cheng等人[19]证明添加Ti和C可以将FeCoCrNiMn HEA的室温压缩屈服强度从774 MPa提高到1445 MPa。压缩强度和塑性有所下降，表明在这种HEA中晶界强化和沉淀强化占主导作用。Wu等人[20]设计了一种不含强碳化物形成元素的双相Al₁₀(FeNiCoMn)₉₀ HEA。研究表明，添加4 at.%的碳会导致基体中析出纳米级碳化物，其屈服强度和塑性分别为790 MPa和15.8%。碳的添加使滑移方式从波状滑移转变为平面滑移，并形成了微带，从而提高了塑性。Lv等人[21]指出，当碳含量为1.2 at.%时，合金表现出最佳的机械性能，压缩强度为2019.3 MPa，延展率为24.7%。碳掺杂后，位错转移到B2相，减少了晶格失配。

先前的研究结果表明，引入碳可以显著提高HEAs的机械性能。因此，在本研究中，通过用成本较低的元素（如Cr和Mn）替代传统HEAs中的贵重金属元素（如Co和Ni），开发了一种经济高效的FeCrMnAlCu HEA。研究目的是通过调整碳含量来优化合金的微观结构和机械性能，以获得具有高压缩强度和良好塑性的合金。制备了含有微量碳的Fe_0.5CrMnAlCu HEA，并研究了不同碳含量对合金相结构、微观结构和机械性能的影响。

章节片段

HEA的制备

原材料为Fe、Cr、Mn、Al和Cu金属颗粒（纯度≥99.9 wt.%）。使用真空电弧熔炼炉制备了Fe_0.5CrMnAlCuC_x（x = 0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25） HEAs，碳以Fe-5%C的形式添加。所有样品根据碳含量分别标记为C0、C0.05、C0.1、C0.15、C0.2和C0.25。为确保每个锭的化学成分均匀，在熔炼过程中进行了电磁搅拌。每个样品都经过翻转和重新熔炼。

相结构和微观结构

图1显示了Fe_0.5CrMnAlCuC_x HEA样品的XRD图谱，其中包含BCC相、B2相和L2₁相。当x = 0.25时，合金中L2₁相的主要衍射峰消失，但没有检测到碳化物相，表明大部分碳原子已扩散到合金中。根据图1(b)，随着碳含量的增加，L2₁相的衍射峰向右移动，表明引入的碳原子可能起到了作用。

讨论

根据图11和12的分析结果，这一系列合金的硬度和压缩性能随着碳含量的增加先升高后降低。这种现象与相关文献[16], [21]中总结的强化机制相似。这些研究表明，适量的碳添加有助于细化合金的晶粒结构。

结论

本研究关于碳原子对Fe_0.5CrMnAlCu HEAs机械性能影响的主要结论如下：

1.

Fe_0.5CrMnAlCuC_x HEAs的相结构主要由BCC、B2和L2₁相组成，其中树枝晶区域为无序的BCC结构的FeCr相，晶间区域为有序的BCC结构的AlCu相，树枝晶中的沉淀物为L2₁相。随着碳含量的增加，制备好的合金的晶格畸变

CRediT作者贡献声明

Kai Ma：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据分析，概念化。Jianjun Liu：监督，研究。Li Feng：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，监督，研究，资金获取。Yanchun Zhao：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了甘肃省第四批高层次人才基金计划（ZZ2023G50100013）和甘肃省科技重大专项计划（24ZDWA008）的支持。