Введение в комбинаторный дизайн высокоэнтропийных сплавов: микроструктура, механизмы, свойства

Концепция высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) претерпела глубокий парадигматический сдвиг. Первоначально в этой области развивалась гипотеза о том, что максимизация конфигурационной энтропии в системах с несколькими основными элементами стабилизирует однофазные твердые растворы и подавляет образование интерметаллических соединений. Однако строгие термодинамические оценки показали, что одной лишь конфигурационной энтропии недостаточно для прогнозирования фазовой стабильности; энтальпии смешивания и сложные фазовые конкуренции также могут играть доминирующую роль. Следовательно, от строгого эквиатомного ограничения отказались, открыв почти бесконечное композиционное пространство, которое простирается за пределы простых твердых растворов и охватывает сложные, многофазные и метастабильные микроструктуры. Это пространство проектирования позволяет применять механистический подход к разработке сплавов, отражающий передовые стратегии, используемые в современных сталях. Преднамеренно отклоняясь от эквиатомных составов, мы можем точно настраивать термодинамические параметры, в первую очередь энергию дефектов упаковки (SFE). Регулирование энергии дефекта упаковки (SFE) позволяет последовательно активировать механизмы деформации — переходя от скольжения дислокаций к пластичности, вызванной двойникованием (TWIP), и, в конечном итоге, к пластичности, вызванной превращением (TRIP). Эта последовательная активация поддерживает высокие скорости деформационного упрочнения, эффективно обходя классический компромисс между прочностью и пластичностью. Основным примером этой стратегии управления метастабильностью является разработка двухфазного высокоэнтропийного сплава с TRIP-эффектом (TRIP-DP-HEA) в неэквиатомной системе Fe-Mn-Co-Cr. За счет уменьшения содержания Mn намеренно снижается термическая и механическая стабильность гранецентрированной кубической (ГЦК) матрицы. При охлаждении и последующей деформации метастабильная ГЦК-фаза частично трансформируется в гексагональную плотноупакованную (ГПУ) мартенситную фазу. Важно отметить, что атомно-зондовая томография показывает, что обе фазы имеют идентичный однородный химический состав, что гарантирует, что обе фазы в равной степени выигрывают от массивного упрочнения твердым раствором. Полученная двухфазная микроструктура обеспечивает исключительные механические свойства: границы фаз и мартенсит, индуцированный деформацией, обеспечивают динамическое упрочнение по Холлу-Петчу и упрочнение межфазной границы, в то время как прогрессивное фазовое превращение гарантирует устойчивое деформационное упрочнение и повышенную пластичность. Такое синергетическое деформационное поведение подчеркивает преимущество сочетания массивного упрочнения твердым раствором, присущего высокоэнтропийным сплавам, с обширной способностью к упрочнению при деформации, обеспечиваемой метастабильными фазовыми превращениями. Для навигации в этом обширном многомерном композиционном пространстве требуются передовые методологии. Хотя расчет фазовых диаграмм (CALPHAD) и теория функционала плотности (DFT) обеспечивают необходимую термодинамическую проверку, их необходимо сочетать с высокопроизводительными комбинаторными экспериментами для учета кинетических эффектов и метастабильных состояний, которые часто упускаются из виду в равновесных моделях. Кроме того, появляются данные, свидетельствующие о том, что локальное химическое упорядочение и ближний порядок оказывают глубокое влияние на энергию дефектов упаковки и кинетику дефектов, что добавляет еще один уровень сложности к проектированию концентрированных твердых растворов. Будущее исследований высокоэнтропийных сплавов выходит за рамки простого воспроизведения механических свойств обычных сплавов. Истинный потенциал заключается в использовании синергетических эффектов нескольких элементов для создания беспрецедентных комбинаций структурных и функциональных свойств, таких как криогенная прочность, стойкость к окислению и целенаправленные магнитные или термические характеристики. Переключив внимание с максимизации энтропии на целенаправленное микроструктурное и механистическое проектирование, мы можем систематически использовать почти бесконечное композиционное пространство многокомпонентных сплавов для удовлетворения высоких требований инженерных приложений следующего поколения. George, E. P., Raabe, D., & Ritchie, R. O. (2019). High-entropy alloys. Nature Reviews Materials, 4, 515–534. Li, Z., Pradeep, K. G., Deng, Y., Raabe, D., & Tasan, C. C. (2016). Metastable high-entropy dual-phase alloys overcome the strength–ductility trade-off. Nature, 534, 227–230. Лей, З. и др. (2018). Повышенная прочность и пластичность высокоэнтропийного сплава за счет упорядоченных кислородных комплексов. Nature, 563, 546–550. Денг, Ю. и др. (2015). Разработка высокоэнтропийного сплава с пластичностью, индуцированной двойникованием. Acta Materialia, 94, 124–133. Ли, З. и др. (2017). Двухфазный высокоэнтропийный сплав с использованием TRIP-технологии: влияние размера зерна и до...