近幾十年來(lái)，難熔高熵合金(RHEAs)因其在高溫下具有前所未有的強(qiáng)度而受到越來(lái)越多的關(guān)注，這對(duì)于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電領(lǐng)域非常有吸引力，可以提高效率。然而，大多數(shù)RHEAs的延性較差，在室溫下的壓縮斷裂應(yīng)變?yōu)?0%，這嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用。現(xiàn)階段在改善延性方面已經(jīng)付出了很多努力。HfNbTaTiZr系列(以Ti、Zr和/或Hf為主要元素)是目前研究最廣泛的具有優(yōu)異拉伸韌性的RHEAs，其斷裂應(yīng)變?yōu)?5%。然而，這些合金表現(xiàn)出有限的強(qiáng)度(950MPa)，在高/中溫下的相穩(wěn)定性差，甚至在600-1000℃范圍內(nèi)存在氧化現(xiàn)象，這不利于高溫應(yīng)用。TiVNbTa RHEAs是另一種高壓縮應(yīng)變極限的合金系列，其抗氧化性和高溫相穩(wěn)定性有待進(jìn)一步研究。

北京理工大學(xué)等單位的研究人員研究了等摩爾的TiVNbTa和TiVNbTaSi難熔高熵合金(RHEAs)，通過熱加工有效控制了TiVNbTaSi中納米級(jí)硅化物的形成和分布，可顯著增加強(qiáng)度和塑性協(xié)同效應(yīng)，還探討了TiVNbTa和TiVNbTaSi的相穩(wěn)定性和抗氧化性。相關(guān)論文以題為“Designing TiVNbTaSi refractory high-entropy alloys with ambient tensile ductility”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114230

采用氬氣氛圍下懸浮熔煉制備TiVNbTaSi0.1(簡(jiǎn)稱Si01)，然后在1200℃熱軋，厚度減少60%、80%和85%(簡(jiǎn)稱HR60、HR80、HR85)，采用真空電弧熔煉制備TiVNbTa(簡(jiǎn)稱EM)，對(duì)TiVNbTa和TiVNbTaSi在氬氣氛圍下進(jìn)行50h不同溫度退火(600℃、800℃、1000℃)。

研究發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)EM和Si01具有相似的枝晶組織。在EM中，Ta富集在枝晶中，低熔點(diǎn)的Ti和V富集在枝晶間，Nb幾乎均勻分布，在枝晶中略有富集；在Si01中，枝晶中元素分布與EM基本相同，分布有BCC/M5Si3共晶相，M5Si3相平均組成為Ti33.56V9.29Nb18.51Ta4.16Si34.49(原子百分比)。在1000℃以下，EM和HR85中沒有出現(xiàn)突變氧化和相變。等摩爾TiVNbTa (EM)的屈服強(qiáng)度為720MPa，拉伸伸長(zhǎng)率為14%，隨著Si的加入，鑄態(tài)Si01的屈服強(qiáng)度提高到1120MPa，而塑性下降至1.4%，HR60和HR80的屈服強(qiáng)度分別為1350MPa和1400MPa，拉伸伸長(zhǎng)率分別為2.1%和4.2%。變形至85%進(jìn)一步提高了HR85的延性至8%，并保持了1250MPa的屈服強(qiáng)度。

圖1 EM和Si01的顯微組織圖

圖2 不同程度熱軋后的顯微組織圖

圖3 合金的拉伸性能圖和斷口形貌

圖4TiVNbTa(EM)和HR85的抗氧化性和相穩(wěn)定性結(jié)果

綜上所述，本文對(duì)等摩爾的TiVNbTa和TiVNbTaSi RHEAs進(jìn)行了研究。首次證實(shí)了TiVNbTa的拉伸伸長(zhǎng)率為14%，硅的加入可以有效地提高合金的抗氧化性和強(qiáng)度，但在鑄態(tài)時(shí)由于共晶含硅相的形成而導(dǎo)致脆性增加。通過簡(jiǎn)單的熱軋工藝，誘導(dǎo)納米硅化物析出，顯著細(xì)化組織，解決了TiVNbTaSi0.1合金的抗氧化性能/強(qiáng)度-塑性之間的權(quán)衡問題，得到了拉伸屈服強(qiáng)度為1250MPa，塑性為8%的合金。在500℃以上的溫度下，TiVNbTa和TiVNbTaSiRHEAs均表現(xiàn)出良好的相穩(wěn)定性，本研究突出證明了具有優(yōu)異性能的TiVNbTaSi0.1在高溫應(yīng)用方面的巨大潛力。