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Three-dimensional ultrasounds bring about crystallographic microstructure transition and mechanical 

performance synergy for multicomponent (FeCoNiCr)₈₅Mo₁₅ eutectic 

alloy

三維超聲誘導(dǎo)多組分(FeCoNiCr)85Mo15共晶合金的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變與力學(xué)性能協(xié)同提升

作者信息：

W.J. Gao, X. Wang, J.Y. Wang, W. Zhai, B. Wei

MOE Key Laboratory of Materials Physics and Chemistry Under Extraordinary Conditions, School of Physical Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an, 710072, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100005

文章介紹：

由于共晶結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高強(qiáng)度與優(yōu)異延展性的理想平衡，多組分共晶合金近年來因其卓越的力學(xué)性能和廣闊應(yīng)用前景而備受關(guān)注。隨著合金設(shè)計(jì)理論的發(fā)展和對(duì)多組分合金需求的多樣化，研究人員通過在FeCoNiCr基合金中添加Mo、Nb、Ta和W等難熔元素，顯著提升了合金的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和耐磨性。例如，含有FCC相和高硬度金屬間化合物的FeCoNiCrNb0.5、FeCoNiCrTa0.4及(FeCoNiCr)85Mo15合金展現(xiàn)出優(yōu)異的加工硬化行為和高溫穩(wěn)定性，從而拓寬了多組分共晶合金的力學(xué)性能譜系，增強(qiáng)了其在高端應(yīng)用領(lǐng)域的潛力。

除成分調(diào)控外，多組分共晶合金的性能優(yōu)化還源于顯微組織的精確調(diào)控。共晶相的組成、體積分?jǐn)?shù)、晶體結(jié)構(gòu)以及共晶界面取向關(guān)系等特征參數(shù)共同決定了材料的力學(xué)性能。Wang等通過在Al17Ni34Ti17V32合金中構(gòu)建超細(xì)層狀結(jié)構(gòu)和低錯(cuò)配度共晶界面，實(shí)現(xiàn)了該合金在常溫和高溫下的優(yōu)異力學(xué)性能。Zhou等基于理論計(jì)算證實(shí)，在FeCoNi2.1CrAl合金中平衡FCC與BCC共晶相的體積分?jǐn)?shù)可有效提升其抗拉強(qiáng)度和加工硬化能力。

在合金凝固過程中施加超聲波以調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)、提升性能的做法已有充分文獻(xiàn)記載。大量研究證實(shí)，超聲凝固技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，包括細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu)、減輕成分偏析以及增強(qiáng)力學(xué)性能。然而，現(xiàn)有研究主要集中于傳統(tǒng)合金體系，對(duì)高溫多組分合金的探索仍較為有限。目前，我們已對(duì)FeCoNi2.1CrAl和FeCoNi2Al0.9合金開展超聲凝固研究，發(fā)現(xiàn)高功率超聲波能細(xì)化共晶組織并提升FCC與BCC共晶相之間的Kurdjumov-Sachs（K-S）取向相干度，從而實(shí)現(xiàn)性能的協(xié)同提升。但相較于BCC相，金屬間化合物通常具有更復(fù)雜的高度有序晶體結(jié)構(gòu)，以及更高的熔點(diǎn)和優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。由此推測(cè)，在由FCC相與金屬間化合物組成的多組分共晶合金中，超聲波的強(qiáng)非線性效應(yīng)可能引發(fā)界面取向或相結(jié)構(gòu)的特殊轉(zhuǎn)變。

本研究采用自主設(shè)計(jì)的高溫合金超聲凝固系統(tǒng)，在(FeCoNiCr)85Mo15合金凝固全程施加20kHz三維（3D）超聲波。通過系統(tǒng)分析共晶組織與晶體學(xué)特征，揭示了超聲場(chǎng)中(FCC+金屬間化合物)型共晶的動(dòng)態(tài)凝固機(jī)制，并闡明了超聲調(diào)控共晶組織與力學(xué)性能的構(gòu)效關(guān)系。

中文摘要：

本研究對(duì)多組分(FeCoNiCr)85Mo15共晶合金凝固過程施加三維超聲場(chǎng)。當(dāng)超聲振幅為14μm時(shí)，(γ+σ)層狀共晶組織顯著細(xì)化，界面取向從[001]γ//[112]σ與(110)γ//(111)σ轉(zhuǎn)變?yōu)樽罘€(wěn)定的[011]γ//[110]σ與(111)γ//(001)σ構(gòu)型。增大超聲振幅后，σ相由四方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱矫芘?HCP)結(jié)構(gòu)，其獨(dú)立形核生長(zhǎng)促使形成異常(γ+σ)共晶。當(dāng)超聲振幅達(dá)到16μm時(shí)，發(fā)現(xiàn)富Cr元素的亞穩(wěn)μ相以層狀(γ+μ)共晶形式存在。這些晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?cè)从诔曊T導(dǎo)的高能非線性空化與聲流效應(yīng)。通過三維超聲凝固獲得的多樣化共晶結(jié)構(gòu)使合金力學(xué)性能顯著提升：屈服強(qiáng)度與延伸率分別提高1.4倍和2.1倍，最高達(dá)2000MPa和21.4%。其中，弱超聲場(chǎng)下(γ+σ)共晶細(xì)化與穩(wěn)定界面構(gòu)型主導(dǎo)強(qiáng)化機(jī)制；而強(qiáng)超聲場(chǎng)中(γ+σ)共晶內(nèi)FCC結(jié)構(gòu)γ相含量增加及(γ+μ)亞穩(wěn)共晶結(jié)構(gòu)的形成則共同提升了合金延展性。