文章摘要：

共晶高熵合金结合了高熵合金和共晶合金的优点，是一种很有前途的高温应用材料。然而，目前开发的高熵合金仍然具有高密度和低的高温强度，这限制了它们的应用。在这里，我们提出了一种设计轻质，坚固，和高热稳定性EHEAs通过引入一个非常稳定的Heusler型有序相（L21相），其包含高含量的低密度元素并构成低晶格失配的共晶相界面，这可导致产生超细且稳定的层状结构和高密度的共格纳米沉淀物。作为这种策略的表现，一种新的块体Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂ EHEA被设计成由L21和体心立方（BCC）相（层间距~ 320 nm）组成，晶格失配仅为2.4%。该合金的密度（~ 6.2 g/cm³）在所有EHEAs中是最低的，但其高温硬度和比屈服强度远高于大多数耐火HEAs（RHEAs）、轻质HEAs（LWHEAs）、EHEAs和常规高温合金，为开发具有优异高温性能的轻质EHEAs奠定了基础。

研究背景：

化石能源和航空航天目前正朝着更长的寿命、更低的能耗和更低的碳排放的方向努力。传统的镍基高温合金已经为这些关键行业服务了几十年，但它们已经逐渐达到了它们的使用温度极限，并且固有地昂贵和高密度。具有显著成本优势和相对低密度的新型铁基高温合金已经被开发出来试图取代或部分取代镍基高温合金，但它们仍然存在一些缺点，例如高温强度低和轻质不足。因此，迫切需要新的高温结构材料，其应更轻，更强，并且热稳定性更高，以在下一代航空发动机和燃气涡轮发动机中获得进一步的效率增益和环境友好性。

研究内容：

1. 材料设计与制备：
在前期工作的激励下，我们提出了一种系统的设计策略，通过引入一种极其稳定的heusler型有序相，其中包含高含量的低密度元素，并构建低晶格失配共晶相界面，来开发轻质、超高强度、高热稳定的EHEAs。为了验证该策略的有效性，设计了由富Ni、Al、Ti相L21和富V相BCC相组成的新型Al-Ni-Ti-V体系EHEA。

微观结构：

1) 相组成：图1（c）中的XRD图谱表明该合金由有序的L21（在2θ值为26.1°和30.3°处具有小角超晶格衍射峰）和无序的BCC相组成。

2) BCC沉淀物与L21相之间属于半共格界面。

2. 微观结构表征：

1) XRD与EBSD分析：L21和 BCC相的平均片层宽度分别为199.4 nm和123.1 nm。

2) APT观察：揭示了析出相与和纳米沉淀物的组成与形态。L21相的平均直径为3.11nm。

3. 力学性能测试

1) 超高硬度：室温到800°C样品的硬度测试表明均具有较高的硬度。

2) 优异的压缩性能：室温到1100℃进行压缩试验，尽管随着温度升高，强度在降低，但是在高温下仍保持了较高的水平。

4. 强化机制分析

1) 热稳定性：相和微观结构的热稳定性会极大地影响高温下的机械性能，是决定高温结构材料能否长期可靠使用的关键标准之一。实验结果表明Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂ EHEA具有优异的热稳定性。

2) 强化机制：引入含有高含量低密度元素（Al 和 Ti）的 Heusler 相作为共晶相之一，可以在 EHEA 中赋予高强度、低密度和出色热稳定性的可能性。两个共晶相通过各自特征滑移系统上的滑动而变形，每个相内的位错与先前存在的界面位错网络相互作用并受到它们的阻碍，这大大降低了整体位错迁移率。位错和纳米沉淀物之间的相互作用增强合金的强度。

结论：

通过引入有序度高的低密度Heusler相（L21）和构建低晶格失配共晶相界面，提出了一种有效的通用设计策略，用于开发轻质、超强、高热稳定的EHEA，并基于此设计策略成功地设计了一种新型的Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂ EHEA，具有均匀和超细的片层结构（片层间距~320 nm），并且在先前报道的所有EHEAs中具有最低的密度（~6.2 g/cm³）。这种大块EHEA具有特殊的尺寸和微观结构稳定性，并且具有比大多数报道的RHEA、LWHEA、EHEA和常规高温合金高得多的高温硬度和SYS。Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂ EHEA的高温性能上级主要归因于其超细晶和热稳定性。稳定的共晶结构源于低的晶格失配，极稳定的L21结构，以及源于预先存在的共晶相界面位错网络和纳米沉淀物的阻碍的低位错迁移率。

总体而言，目前的轻质EHEA系统组成的L21和BCC结构是一个有前途的候选人高温应用遭受压缩载荷。

致谢：

国家自然科学基金项目（编号：52001051、U20A20278）、博士后科学基金项目（编号：2021T140082）、国家重点研发计划项目（编号：2018YFA0702901、2019YFA0209901）、辽宁省人才振兴计划项目（编号：2018YFA0702901）、辽宁省人才振兴计划项目（编号：2019YFA0209901）的资助。宁波市“科技创新2025”重大专项（编号：2019B10086）。国家科学基金会（DMR 1611180和1809640）和美国陆军研究办公室（W 911 NF-13 -1-0438和W 911 NF-19-2-0049）的支持。

图文速览：

图1. Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂合金的相和显微组织。(a-b)分别为铸态和退火态合金的背散射电子(BSE)图像。(c) 铸态和退火合金的XRD图案。插图显示铸态合金的EBSD相图。(d-e) 铸态和退火合金的统计片层宽度分布。

图2. Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂合金的 TEM表征。（a-b）分别为共晶L21和BCC相的沿沿着两个不同区轴（[001]和[011]）的SAED图案。（c）铸态合金的BF TEM图像，显示BCC相中的高密度纳米沉淀物。（d）从（d）插图中黄色圈出的{111}超晶格点获得的铸态合金的BCC相的DF TEM图像。插图显示BCC相的[011]区轴的SAED图案。（e）铸态合金的HRTEM图像，左上插图表示来自FFT的BCC基质的电子衍射图案（EDP）;右下插图显示来自FFT的L21沉淀的EDP。（f）（g）HRTEM图像，显示了嵌入L21基体内部的BCC沉淀物。左上插图显示了来自FFT的L21基体的EDP;右上插图显示了来自FFT的BCC沉淀物的EDP;右下插图表示BCC沉淀物/L21基质界面的放大HRTEM图像。(h)铸态合金的HRTEM图像，显示了L21/BCC的共晶相界面。上部和下部插图分别显示了共晶L21和BCC相的EDP。（i）来自逆FFT的放大HRTEM图像，显示了（h）中的界面区域。

图3. 共晶BCC相的APT表征。（a）包含各种元素的3D重构离子图。（B）从（a）中的L21沉淀物捕获的离子图的3D重构，显示Al，Ni和Ti原子簇。（c）L21沉淀物/BCC基质界面上的一维成分分布。（d）L21纳米沉淀物的统计尺寸分布。

图4. 共晶L21相的APT表征。（a）各种元素的3D重构离子图，包括共晶L21相和一小部分BCC相。（B）BCC/L21的共晶相界面上的一维组成分布。（c）从（a）中的BCC纳米沉淀物捕获的离子图的3D重构，显示V原子簇。（d）BCC沉淀物/L21基质界面上的一维组成分布。（e）BCC纳米沉淀物的纵向尺寸分布。

图5. Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂合金的在高温下的力学性能。（a-b）分别与其他代表性合金比较，硬度和比硬度作为该合金试验温度的函数。（c）不同温度下的压缩工程应力-应变曲线。（d）与其他代表性合金比较，（e-f）分别与其它代表性合金相比，该合金的屈服强度和屈服强度随同系温度（T/Tm）的变化。

图6. Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂合金的第一性原理计算。（a）T = 3000 K时AIMD模拟的部分PDF。（B）AIMD模拟期间原子结构的快照。（c）每个元素的MSD随时间变化的计算结果，插图显示T = 3000 K时各种元素的预测扩散常数。（d）DFT预测的形成能量通过取代V的Ni，Al和Ti的Ni₂AlTi型L21相。

图7. Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂合金的TEM分析。

【引用】： Mingliang Wang, Yiping Lu*, Jinggang Lan, Tongmin Wang, Chuan Zhang, Zhiqiang Cao, Tingju Li, Peter K Liaw. Lightweight, ultrastrong and high thermal-stable eutectic high-entropy alloys for elevated-temperature applications.Acta Materialia,2023,248, 118806.