Three-dimensional ultrasounds bring about crystallographic microstructure transition and mechanical 

performance synergy for multicomponent (FeCoNiCr)₈₅Mo₁₅ eutectic 

alloy

三维超声诱导多组分(FeCoNiCr)85Mo15共晶合金的晶体结构转变与力学性能协同提升

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

文章介绍：

由于共晶结构能够实现高强度与优异延展性的理想平衡，多组分共晶合金近年来因其卓越的力学性能和广阔应用前景而备受关注。随着合金设计理论的发展和对多组分合金需求的多样化，研究人员通过在FeCoNiCr基合金中添加Mo、Nb、Ta和W等难熔元素，显著提升了合金的强度、热稳定性和耐磨性。例如，含有FCC相和高硬度金属间化合物的FeCoNiCrNb0.5、FeCoNiCrTa0.4及(FeCoNiCr)85Mo15合金展现出优异的加工硬化行为和高温稳定性，从而拓宽了多组分共晶合金的力学性能谱系，增强了其在高端应用领域的潜力。

除成分调控外，多组分共晶合金的性能优化还源于显微组织的精确调控。共晶相的组成、体积分数、晶体结构以及共晶界面取向关系等特征参数共同决定了材料的力学性能。Wang等通过在Al17Ni34Ti17V32合金中构建超细层状结构和低错配度共晶界面，实现了该合金在常温和高温下的优异力学性能。Zhou等基于理论计算证实，在FeCoNi2.1CrAl合金中平衡FCC与BCC共晶相的体积分数可有效提升其抗拉强度和加工硬化能力。

在合金凝固过程中施加超声波以调控微观结构、提升性能的做法已有充分文献记载。大量研究证实，超声凝固技术具有显著优势，包括细化晶粒结构、减轻成分偏析以及增强力学性能。然而，现有研究主要集中于传统合金体系，对高温多组分合金的探索仍较为有限。目前，我们已对FeCoNi2.1CrAl和FeCoNi2Al0.9合金开展超声凝固研究，发现高功率超声波能细化共晶组织并提升FCC与BCC共晶相之间的Kurdjumov-Sachs（K-S）取向相干度，从而实现性能的协同提升。但相较于BCC相，金属间化合物通常具有更复杂的高度有序晶体结构，以及更高的熔点和优异的高温稳定性。由此推测，在由FCC相与金属间化合物组成的多组分共晶合金中，超声波的强非线性效应可能引发界面取向或相结构的特殊转变。

本研究采用自主设计的高温合金超声凝固系统，在(FeCoNiCr)85Mo15合金凝固全程施加20kHz三维（3D）超声波。通过系统分析共晶组织与晶体学特征，揭示了超声场中(FCC+金属间化合物)型共晶的动态凝固机制，并阐明了超声调控共晶组织与力学性能的构效关系。

中文摘要：

本研究对多组分(FeCoNiCr)85Mo15共晶合金凝固过程施加三维超声场。当超声振幅为14μm时，(γ+σ)层状共晶组织显著细化，界面取向从[001]γ//[112]σ与(110)γ//(111)σ转变为最稳定的[011]γ//[110]σ与(111)γ//(001)σ构型。增大超声振幅后，σ相由四方结构转变为六方密排(HCP)结构，其独立形核生长促使形成异常(γ+σ)共晶。当超声振幅达到16μm时，发现富Cr元素的亚稳μ相以层状(γ+μ)共晶形式存在。这些晶体结构转变源于超声诱导的高能非线性空化与声流效应。通过三维超声凝固获得的多样化共晶结构使合金力学性能显著提升：屈服强度与延伸率分别提高1.4倍和2.1倍，最高达2000MPa和21.4%。其中，弱超声场下(γ+σ)共晶细化与稳定界面构型主导强化机制；而强超声场中(γ+σ)共晶内FCC结构γ相含量增加及(γ+μ)亚稳共晶结构的形成则共同提升了合金延展性。