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北京科技大學呂昭平教授團隊！高溫難熔高熵合金的組織穩定性及中溫時效行為！

2022-03-24 11:33:17 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：本文詳細研究了幾種體心立方（BCC）難熔高熵合金（HEAs），即HfNbTaTiZr、NbTaTiZr、HfNbTiZr和NbTiZr在中溫下退火100 h的顯微組織和時效行為。所有這些 HEA 在 500 °C 左右開始分解成多個相，但在顯著不同的溫度下重新進入單相區域，對于 HfNbTiZr、NbTiZr、HfNbTaTiZr 和 NbTaTiZr，確定為 900°C 、1000°C 、1100 °C 和 1300 °C 以上。提出了一種設計用于實際應用的先進 RHEA 的新指標，這四種 HEA 中的起始分解溫度與元素擴散速率密切相關，而終止分解溫度強烈依賴于元素熔點。

高熵合金（HEAs）由于其高構型熵，優選在室溫下形成單一固溶相，如面心立方（FCC）和體心立方（BCC），這些特性賦予它們出色的機械性能。然而，最近的初步研究表明，單相 HEA 傾向于分解或分離成多個相，盡管它們仍然可以將單相保持在臨界溫度以上。此外，還發現組成元素的類型在 HEA 的熱穩定性中起重要作用。例如，據報道，增加 Mn 會不穩定，而增加 Co 會穩定 FCC CrMnFeCoNi HEA。有趣的是，提出了一個模型來說明這一特定 HEA 家族中金屬間化合物相形成的熱力學和動力學耦合。基于該模型，很明顯，對于這些 HEA，存在一個發生相分解的溫度跨度，以及起始溫度（ Tc ）和終止溫度（ Ts ））強烈依賴于擴散動力學和化學成分。

在目前的工作中，北京科技大學呂昭平教授團隊研究了在中等溫度下退火 100 小時的具有單一 BCC 結構的等原子難熔 HEA 的顯微組織演變，即 HfNbTaTiZr、NbTaTiZr、HfNbTiZr 和 NbTiZr。對 HfNbTaTiZr、NbTaTiZr、HfNbTiZr 和 NbTiZr RHEAs 在中溫退火后的顯微組織進行了全面系統的研究。在 1200°C 均質化處理 10 h 后，這些 RHEA 均為單相固溶體。根據 Δ G = Δ H - T Δ S的關系，其中 Δ G、 Δ H和 Δ S分別是吉布斯自由能、熵和焓的變化，高構型熵在降低合金體系的吉布斯自由能方面起主要作用，特別是在高溫下。為了定量揭示這些 RHEA 中的相分解行為，我們應用之前提出的模型[5]來分析 FCC HEA 熱處理過程中的結構演變。通過我們的 SEM 和 XRD 數據獲得的相分解的起始溫度（ Tc ）、終止溫度（ Ts ）和溫度范圍（ ΔT=Ts - Tc ）總結在表 1中。請注意，由于它們的體積分數小，在幾種退火合金中形成的相可以通過 SEM 觀察到，但不能通過 XRD 檢測到。相關研究成果以題“Microstructural stability and aging behavior of refractory high entropy alloys at intermediate temperatures”發表在Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S100503022200216X#fig0001

在高純氬氣氛中采用電弧熔煉和滴鑄法生產名義成分為HfNbTaTiZr、NbTaTiZr、HfNbTiZr和NbTiZr的合金錠。原料金屬的純度至少為 99.9 at.%。為確保化學均勻性，通過首先將母合金（HfTa、NbTi、HfZr 和 TaZr）熔化 4 次，然后將母合金混合至少 4 次來制備錠。在真空和 Ar 回填石英安瓿中，鑄態錠在 1200°C 下均質化 10 小時。均質化后，將 RHEA 樣品在 350 至 1300 °C 的溫度下等時退火 100 小時。所有熱處理均在 Ar 回填石英管中進行，以避免對材料的氧化和環境影響，然后快速水淬至室溫。

圖 1顯示了 HfNbTaTiZr （a）、NbTaTiZr （b）、HfNbTiZr （c）和 NbTiZr （d） RHEA 在均質化后的 EBSD 結果。這些反極圖證實所有合金在化學上均質且晶粒粗大，HfNbTaTiZr、NbTaTiZr、HfNbTiZr 和 NbTiZr 的晶粒尺寸分別為 0.3、0.2、1.8 和 0.9 mm。為了進一步表征退火后 HfNbTaTiZr RHEA 的特定微觀結構和化學成分，還進行了 TEM 研究。例如，圖 4顯示了 A750 樣品的明場（BF）掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像和相應的元素分布圖。根據 BF 圖像，在基體中形成了兩種不同對比度的析出物。元素圖顯示灰色相中 Ta 和 Nb 富集，而白色相中 Hf 和 Zr 富集。

圖 1。均質化處理后的 HfNbTaTiZr（a）、NbTaTiZr（b）、HfNbTiZr（c）和 NbTiZr（d）的 EBSD 的反極圖和相應的 XRD 結果（e）。

圖 2。在不同溫度下退火 100 小時的 HfNbTaTiZr HEA 的 XRD 圖案（a）和晶格參數（b）。（a）中的紅色箭頭表示在 650°C 退火 100 小時的 HfNbTaTiZr 中第三相的衍射峰。

（1）HfNbTaTiZr 在 500-600 °C 退火后分解成一個 BCC 相加一個六方（或 HCP）相，而在 650-1000 °C 退火兩個 BCC 相加一個 HCP 相。NbTaTiZr合金在500-900℃退火后分離成兩個BCC相，在1000-1100℃退火三個BCC相，在1200-1300℃退火一個BCC相加一個HCP相。在 500-750 °C 退火的 HfNbTiZr 和在 500-900 °C 退火的 NbTiZr 中分別形成了有限的第二相。