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四校聯發《Acta Materialia》：具有極佳可成形性的高強韌難熔高熵合金

2023-02-01 17:29:47 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

由于具備優異的高溫力學性能，難熔高溫高熵合金被看作是現有鎳基超級合金的替代者。然而，對于大多數已報道的難熔高熵合金，它們在室溫下可忽略的韌性和極其有限的可加工性限制了它們的應用。

近日，來自加州大學爾灣分校、加州大學圣地亞哥分校、牛津大學和加州大學伯克利分校的研究人員，設計了一組非等原子比NbTaTi基的難熔高熵合金，該類合金可在鑄態條件下逐步冷軋至90%以上而無需中途退火，顯示出了非常好的冷加工能力。該合金的可成形性來源于高密度位錯、顯微帶和形變孿晶的激發。同時，高密度位錯形成了高速率的擴散通道，使得樣品在較低溫度和較短時間下就可消除偏析，達到了成分均勻。更重要的是，該類難熔高溫高熵合金不僅僅在高溫條件下（>1000°C）顯示出了高強度，而且在液氮溫度下（-196°C）也能保持相當高的韌性，在大溫度范圍內突破了“強度-韌性”的掣肘。該工作提供了一種既節能又省時的設計高溫結構材料的新思路和新方法。相關論文以題為“Strong and ductile refractory high-entropy alloys with super formability”發表在金屬頂刊《Acta Materialia》，第一作者為Cheng Zhang，通訊作者為中國工程院外籍院士Enrique Lavernia教授。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118602

圖1 室溫下Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅Zr₅難熔高熵合金(NTTHZ RHEA)的優異成形性以及冷軋過程中的微觀結構變化。(a) 鑄態；(b)冷軋至50%，表面出現微小裂紋，主要是之前的凝固缺陷造成的；(c) 冷軋至75%；(d) 冷軋至91%，表面裂紋消失。在冷軋過程中，隨著壓下量的增加，在圖(e-h)(壓下量10-60%)中，出現了形變孿晶以及顯微帶和切變帶（切變帶出現時壓下量為80%，見支持材料），而當壓下量達到91%時，出現了高密度的位錯以及層狀結構。

圖2 Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅Zr₅難熔高熵合金在冷軋過程中表面的變化以及相應的有限元模型，顯示出了獨特的過程自愈現象。

圖3 在壓縮過程中結構變化的計算模擬。(a) Nb₆₀Ta₂₅Ti₁₅基底沿著[110]方向進行形變量為10%, 20%, 30%的壓縮。從左到右為，孿晶形核，增殖，以及生長。(b) Nb₆₀Ta₂₅Ti₁₅基底沿著[001]方向進行壓縮。可以看到孿晶的形核與生長。(c) 純Nb沿著[001]方向壓縮，形變由位錯滑移占據主導。

圖4 異質層狀結構（細晶+超細晶）的Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅Zr₅難熔高熵合金以及相關的元素分布。冷軋90%后，在900°C下退火1個小時，鑄態時的偏析完全消失，這是由于元素沿著位錯快速擴散，在較低溫度和較短時間內就可達到均勻。而相同基底的一組合金，在1500°C和1300°C的條件下加熱12小時，枝晶和元素偏析依舊存在（見支持材料）。由于具備優異的成形性，通過后續的熱處理，可以調控微觀結構，比如細晶結構和粗晶結構。

圖5 異質層狀結構（HL）的Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅Zr₅難熔高熵合金在室溫和高溫條件下的力學性能。(a) 異質層狀結構的合金在室溫和高溫條件下(800-1100°C)的拉伸真應力-應變曲線，顯示出了優異的力學性能。在室溫下與細晶結構(FG)和粗晶結構(CG)的樣品相比，異質結構的樣品表現出了更好的拉伸性能。這主要得益于非均勻形變引起的強化。(b,c) 室溫下拉伸后異質結構樣品的斷裂表面，顯示了韌性斷裂。