多主元合金（MPEA）是一类由多种主元素组成的合金，具有高熵、高混合度、高强度和高韧性等特点。MPEA的研究近年来受到了广泛的关注，并在航空航天、汽车、能源等领域展现了巨大的应用潜力。然而，MPEA的相稳定性、微观结构和力学性能之间的作用关系还不明晰，需要进一步的探索。

稀土元素（RE）是一类具有特殊电子结构和物理化学性质的元素，可以改变合金的晶体结构、晶粒尺寸、第二相形貌和分布等，从而影响合金的力学性能。RE在MPEA中的作用机制也是一个热门的研究课题。钆（Gd）是一种重要的稀土元素，可以提高合金的抗氧化性、抗腐蚀性和磁性等。然而，Gd在MPEA中的相行为、微观结构和力学性能的影响尚未充分研究。近期，通过交叉合作，海南大学精密仪器高等研究中心的Florian Vogel教授在稀土元素合金化调控多主元合金的微结构与性能调控方面取得了重要进展。

针对CoCrFeNi多主元合金中稀土元素微结构与性能的调控机制问题，Florian Vogel教授与华南理工大学机械与汽车工程学院的龙雁教授合作，以高熵合金的新理念为指导，采用了高能球磨和火花等离子烧结的方法，将稀土元素Gd引入多主元合金中，改变了单一的面心立方（FCC）结构，形成了一种新型的复合结构CoCrFeNiGd_0.05合金。Gd的加入导致了FCC基体中的GdNi₅型六方结构（HS）相和少量的Gd富氧化物相的析出，以及晶粒尺寸的减小。由于第二相的析出强化、超细晶粒的晶界强化以及Gd在基体中的固溶强化效应，CoCrFeNiGd_0.05合金的屈服强度从CoCrFeNi基础合金的546 MPa提高到859 MPa。该工作以《Gd添加对CoCrFeNi多主元合金相形成、微结构及力学性能影响》（Effect of Gd Addition on Phase Formation, Microstructure and Mechanical Performance of a CoCrFeNi Multi-Principal Element Alloy）为题在国际知名期刊《材料设计》（Materials & Design）在线发表。

研究要点如下：

1. Gd添加对球磨粉末的粒度的影响

图1. (a) Gd₀和(b) Gd_0.05合金粉末的SE-SEM图像; (c) Gd₀和(d) Gd_0.05合金粉末在球磨25小时后的粒度分布图

通过高能球磨法制备了CoCrFeNi（记为Gd₀）和CoCrFeNiGd_0.05（记为Gd_0.05）两种合金粉末，Gd_0.05合金粉末中添加了GdH₂粉末。球磨后，两种合金粉末的粒度分布呈正态分布，Gd_0.05合金粉末的平均粒度（248 μm）小于Gd₀合金粉末的平均粒度（1890 μm）。这是由于GdH₂粉末的加入抑制了CoCrFeNi合金粉末的冷焊，同时Gd和H的扩散导致了Gd_0.05合金粉末的塑性降低和断裂增加。球磨后，两种合金粉末的晶体结构均为FCC单相，Gd_0.05合金粉末的晶格常数和应变均大于Gd₀合金粉末。

2. CoCrFeNiGd_x合金的制备和相组成

图2. Gd₀和Gd_0.05合金样品的TEM明场(BF)图像和相关的SAED图案。(a) Gd₀ (b) Gd_0.05合金的BF图像；(c)沿[011]轴的Gd₀合金中FCC相的SAED图案；(d)是沿[-3301]轴的Gd_0.05合金中的六方结构相的SAED图案；(e)Gd_0.05合金中一个孪晶的SAED图案，其中基体晶粒(白色)和孪晶晶粒(红色)分别沿[011]_M轴和[011]_T轴排列。

图3. Gd_0.05中FCC相和HS相界面附近的微观结构(a) TEM-BF图像; (b) (a)中黑色矩形区域的TEM高分辨图像; (c) (b)中红色区域FCC矩阵相位的快速傅里叶变9换（FFT）模式; (d) (c)的逆快速傅里叶变换（IFFT）图像; (e) (c)中红圈的IFFT图像; (f) (b)中白色区域HS相的FFT图; (g) (f)的IFFT图像; (h) (b)中相界的局部放大图像。

研究团队采用放电等离子烧结（SPS）对球磨粉进行烧结，得到了致密的多主元合金：CoCrFeNi和CoCrFeNiGd_0.05。通过XRD和SEM对烧结后的合金的相组成和微观结构的分析结果表明，烧结后的合金均为面心立方（FCC）基体，但Gd的加入导致FCC基体中析出了GdNi₅型六方结构（HS）相和少量Gd富氧化物相。HS相呈现出细小的球状或椭球状，分布在FCC基体中，而Gd富氧化物相主要分布在晶界和HS相的边缘。

3. CoCrFeNiGd_x合金的力学性能测试

图4. 1000℃下烧结的Gd₀和Gd_0.05合金的室温拉伸曲线。(a) 工程应力-应变曲线；(b) 真应力-真应变曲线和应变硬化率曲线。

通过对合金进行室温拉伸试验，测量合金的屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率，结果表明Gd的加入显著提高了合金的屈服强度，从546 MPa提高到859 MPa，而塑性仅略有降低，从20.8%降低到19.4%。这些结果说明Gd的加入对合金的力学性能有显著的改善作用。

4. CoCrFeNiGd_x合金的热稳定性

表1. CoCrFeNiGd_0.05合金的相关参数。

团队研究了Gd对CoCrFeNi多主元合金的相变影响，发现Gd的加入导致了FCC基体中析出GdNi₅型六方结构（HS）相和少量的Gd富氧化物相。同时，分析了不同的相形成判据，发现原子半径差异对相形成有重要影响，通过TEM-EDS和XRD等技术分析了Gd_0.05合金的相组成和结构，发现FCC基体中Gd的溶解度约为1 at. %，HS相中Gd和Ni的比例接近5:1，还含有少量的Co、Fe和Cr，且FCC基体和HS相之间存在完全共格关系。

5. CoCrFeNiGd_0.5合金的强化机制

图5. CoCrFeNiGd的理论（TH）和实验（EX）抗压屈服强度比较

通过透射电子显微镜（TEM）对合金的微观结构进行了详细的观察和分析，研究团队探讨了Gd的加入引起的强化机制。结果表明，Gd_0.05合金的强度较Gd₀合金有显著提高，其中的主要原因是Gd添加引入了以下几种强化机制的综合作用：①固溶强化：Gd的原子半径较大，溶入FCC基体后引起较强的晶格畸变，阻碍了位错的运动。②析出强化：Gd_0.05合金中存在与基体相干的GdNi₅型HS相和少量的Gd富氧化物纳米颗粒，它们可以有效地阻挡位错的切割和绕过，增加了合金的屈服强度。③晶界强化：Gd_0.05合金具有超细晶粒结构，晶界的数量较多，晶界可以阻止位错的穿透和滑移，提高了合金的抗拉强度。

文章链接：

Long, Yan, Wenxing Meng, Florian Vogel*, Guiqi Li, and Lijing Zhang. Effect of Gd addition on phase formation, microstructure, and mechanical performance of a CoCrFeNi multi-principal element alloy. Materials & Design 235 (2023): 112365.

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112365