導(dǎo)讀：在難熔高熵合金（RHEAs）中添加抗氧化元素（如Al、Cr、Si）可提高其高溫抗氧化性，但常降低室溫延展性，這對(duì)RHEAs的進(jìn)一步應(yīng)用提出了極大挑戰(zhàn)。在本研究確定了拉伸韌性 TiVNbTa，將其與 Si 合金化，然后通過(guò)簡(jiǎn)單的熱軋工藝使最初脆性的 TiVNbTaSi0.1 韌性化。熱加工有效地細(xì)化了 TiVNbTaSi0.1 的微觀結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生了高密度的納米硅化物，這有助于達(dá)到前所未有的機(jī)械性能，即約 1250MPa 的屈服強(qiáng)度和約 8% 的拉伸延展性。與報(bào)道的延展性 RHEA 相比，TiVNbTaSi0.1 以及 TiVNbTa 和 TiVNbTaSi0 均顯示出優(yōu)異的抗氧化性。TiVNbTaSi0.1 的這些卓越性能凸顯了其在高溫應(yīng)用中的巨大潛力。

近幾十年來(lái)，對(duì)難熔高熵合金 (RHEA) 的研究越來(lái)越多，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟邷叵戮哂星八从械膹?qiáng)度，這對(duì)于在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電中的應(yīng)用非常有吸引力，以提高其效率。然而，大多數(shù) RHEA 的延展性（即加工性）較差，室溫下壓縮斷裂應(yīng)變 <10% ，這極大地阻礙了它們的應(yīng)用。例如，NbMoTaW 和 VNbMoTaW 在 1600°C 下可表現(xiàn)出高達(dá) 400MPa 的屈服強(qiáng)度，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鎳基合金和難熔合金，但它們?cè)诃h(huán)境壓縮試驗(yàn)下僅顯示約 2% 的斷裂應(yīng)變。已經(jīng)付出了很多努力來(lái)開(kāi)發(fā)可延展的 RHEA。

HfNbTaTiZr 及其衍生物包含 Ti、Zr 和/或 Hf 作為主要成分）是研究最廣泛的 RHEA，可以表現(xiàn)出出色的拉伸延展性，斷裂應(yīng)變約為 15%。然而，這些合金顯示有限的強(qiáng)度（~950MPa），在高貧相穩(wěn)定性/介質(zhì)的溫度，和甚至是災(zāi)難性的氧化的溫度范圍內(nèi)600-1000℃，這在高溫下的應(yīng)用中是不受歡迎的。最近，魏等人。設(shè)計(jì)了新型 TiVNbHf RHEA，具有約 16-22% 的優(yōu)異鑄態(tài)拉伸延展性和高達(dá)約 1000 MPa 的屈服強(qiáng)度。該體系的相穩(wěn)定性和抗氧化性對(duì) Ti/V 比敏感，與非等摩爾 Ti 38 V 15 Nb 23 Hf 24相比，等摩爾合金顯示出較差的相穩(wěn)定性和增加的氧化。TiVNbTa RHEAs 是另一種據(jù)報(bào)道具有延展性的系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兙哂懈邏嚎s應(yīng)變極限（> 30% ），尤其是斷裂韌性四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)表明，而這些合金的力學(xué)性能從未通過(guò)拉伸試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估，其抗氧化性和高溫相穩(wěn)定性仍有待研究。

在本文中，北京理工大學(xué)使用拉伸試驗(yàn)仔細(xì)研究了等摩爾 TiVNbTa 和的TiVNbTaSi RHEA。硅作為添加劑，可以降低合金的密度，提高強(qiáng)度，提高合金的抗氧化性，在傳統(tǒng)的難熔合金中得到了廣泛的應(yīng)用，如Nb-Si、Nb-鈦硅，鉬硅硼 。納米級(jí) 硅化物的形成和分布在 TiVNbTaSi 中通過(guò)熱加工得到有效控制，可以顯著增強(qiáng)其強(qiáng)度-塑性協(xié)同作用。TiVNbTa 首次被證明具有約 14% 的拉伸延展性。Si的添加可以有效地提高合金的抗氧化性和強(qiáng)度，同時(shí)由于形成硅化物共晶導(dǎo)致鑄態(tài)脆性。相關(guān)研究成果以題“Designing TiVNbTaSi refractory high-entropy alloys with ambient tensile ductility”發(fā)表在國(guó)際著名期刊Scripta materialia上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646221005108

圖1。(a) TiVNbTa (EM) 和 (b) TiVNbTaSi 0.1 (SiO1) 的背散射電子 (BSE) 圖像和 EPMA-WDS 圖。(c) (b) 中典型暗相區(qū)域的高倍放大圖像。(d) EM 和 SiO1 的XRD圖。(e)鑄態(tài) SiO1 的EBSD圖和 (f) TEM 圖像。A 和 B 是(f) 中標(biāo)記的區(qū)域的相應(yīng)SAED 模式。

圖2。熱軋后TiVNbTaSi 0.1合金的BSE 圖像和相應(yīng)的EBSD圖，厚度減少量分別為 (a)-(c) 60%、(d)-(f) 80% 和 (g)-(i) 85%。(j)-(l) HR85 中沉淀納米硅化物的TEM 圖像和SAED 圖案。

不同加工狀態(tài)的TiVNbTa和TiVNbTaSi 0.1合金的拉伸性能如圖3所示。等摩爾 TiVNbTa (EM) 表現(xiàn)出約 720MPa 的屈服強(qiáng)度和以約 14% 的拉伸伸長(zhǎng)率表示的優(yōu)異延展性（圖 3（b）中的黑色數(shù)據(jù)點(diǎn)），對(duì)應(yīng)于顯示大量凹痕的典型延性斷裂表面（圖 3 （圖 3））g) 和 (h))。這種良好的拉伸延展性從未在以前的研究中展出上TiVNbTa 。隨著 Si 的加入，鑄態(tài) SiO1 的屈服強(qiáng)度顯著增加到約 1120MPa，而其延展性降低到約 1.4%，伴隨著圖 3（c）和（d）所示的解理斷裂。這應(yīng)該歸因于圖 1（b）中所示的 M 5 Si 3共晶網(wǎng)絡(luò)，它提高了強(qiáng)度，但也提供了使延展性惡化的裂紋成核位置和傳播路徑。

圖3。(a) TiVNbTaSi 0.1在鑄態(tài)和熱軋狀態(tài)下的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線和 (b)拉伸性能。(b) 中的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)自每種合金的 3 次測(cè)量。(c)、(d) 鑄態(tài) TiVNbTaSi 0.1 的典型斷口形貌；(e)、(f) HR85；(g), (h) 鑄態(tài) TiVNbTa 樣品。

圖4。TiVNbTa (EM)和HR85的抗氧化性和相穩(wěn)定性。(a)不同溫度下質(zhì)量隨暴露時(shí)間的變化。(b)兩種合金在不同溫度下暴露2h后的形貌。800°c -2h (c) EM和(d) HR85合金的顯微組織。用EDS (EM)和EPMA-WDS (HR85)測(cè)量元素圖。(e) EM和TiVNbTaSi0.1平衡凝固路徑的計(jì)算。(f)-(h) EM和(i)-(k) HR85在600°C、800°C和1000°C退火50h后的BSE圖像顯示沒(méi)有額外的相。

TiVNbTaSi 0.1 的這種抗氧化性/強(qiáng)度-延展性權(quán)衡通過(guò)簡(jiǎn)單的熱軋工藝解決了納米硅化物沉淀并顯著細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)，因此生產(chǎn)出具有拉伸屈服強(qiáng)度~1250MPa和延展性~8%的合金。TiVNbTa 和 TiVNbTaSi RHEA 在 500 °C 以上的溫度下都表現(xiàn)出出色的相穩(wěn)定性。