第一作者：袁小園；

通訊作者：吳淵、呂昭平

通訊單位：北京科技大學(xué)

DOI: 10.1016/j.jmst.2022.12.025

難熔高熵合金作為高溫材料具有巨大的應(yīng)用潛力，其力學(xué)性能的可重復(fù)性和穩(wěn)定性是實際應(yīng)用的關(guān)鍵。然而，在本工作中，我們發(fā)現(xiàn)，即使使用高純度的原材料，TiZrHfNb高熵合金的力學(xué)性能也隨著原料中雜質(zhì)含量的不同而有很大的變化。具體來說，屈服強度的波動主要是由于雜質(zhì)氧元素含量的不同引起的強烈的間隙固溶強化效應(yīng)而導(dǎo)致，而塑性的惡化與類金屬元素B、C、Si的含量密切相關(guān)。分析表明，類金屬元素不僅在晶界處發(fā)生偏聚，而且增強了Zr和Ti的聚集。這種共偏析導(dǎo)致了強（Zr、Ti）類金屬鍵的形成，導(dǎo)致晶界脆化和脆性斷裂。我們目前的工作表明，在生產(chǎn)過程中需要嚴(yán)格控制難熔高熵合金中的雜質(zhì)含量，以提高其機械性能的穩(wěn)定性。

這些年，難熔高熵合金（HEAs）由于其突出的特性，如高硬度、良好的氧化和耐腐蝕，優(yōu)異的高溫強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性引起了廣泛的關(guān)注。特別是具有簡單體心立方結(jié)構(gòu)的TiZrHfNbTa和TiZrHfNb高熵合金，在環(huán)境溫度下具有良好的冷加工變形能力，使得它們在實際工業(yè)應(yīng)用中可以作為結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行復(fù)雜的變形和熱處理。因此，這些難熔高熵合金在高溫領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

眾所周知，金屬材料的使用壽命和性能穩(wěn)定性對原料中的雜質(zhì)含量及其制造工藝很敏感。例如，在超高強鋼和航空鈦合金中，需要嚴(yán)格控制S、O、C、P、N等非金屬雜質(zhì)的含量，避免晶界（GB）脆化。有趣的是，不同研究小組報告的TiZrHfNb高熵合金的屈服強度差異顯著：雷智峰等人的研究中的屈服強度為750 MPa，而在吳一棟等人的工作中使用的原材料純度為99.8 wt%，屈服強度增加到879 MPa。顯然，強度的如此大的變化不利于實際應(yīng)用。因此，了解導(dǎo)致觀察到的屈服強度的巨大變化的潛在原因是非常重要的。

一般來說，B、C、O、Si等雜質(zhì)在Ti、Zr、Hf和Nb金屬中難以去除。因此，從不同供應(yīng)商，甚至不同批次購買的這些過渡金屬中微量元素的類型和總量可能會發(fā)生偏差。在這項工作中，我們試圖闡明導(dǎo)致TiZrHfNb高熵合金力學(xué)性能變化的潛在機制。結(jié)果表明，TiZrHfNb高熵合金的屈服強度和塑性強烈依賴于雜質(zhì)的含量，特別是O、C、B和Si。強度的變化主要是由于原材料和制造工藝中氧污染引起的間隙固溶強化效應(yīng)，而塑性波動源于(Zr/Ti)-(C/B/Si)共偏析引起的晶界脆化。我們目前的研究結(jié)果不僅對體心立方難熔高熵合金的力學(xué)性能方面的質(zhì)量控制很重要，而且為這些高熵合金的工業(yè)制造提供了指導(dǎo)。

通過以上實驗和計算的結(jié)果表明，用不同批次的高純度原料制備的單相TiZrHfNb高熵合金的屈服強度和延伸率存在顯著差異。分析表明，屈服強度的增加主要是由于O的污染，而高含量的O導(dǎo)致了較強的間隙強化。B、C和Si的雜質(zhì)在晶界處與金屬成分Zr和Ti產(chǎn)生了共偏聚效應(yīng)，形成較強的Zr-X和Ti-X（X=B/C/Si）鍵，具有很大的方向性。這種共偏聚導(dǎo)致晶界脆化，然后裂理斷裂，明顯降低了塑性。不同的共偏聚程度導(dǎo)致了不同批次原料制備的高熵合金的塑性的變化。我們的研究表明，在難熔高熵合金中必須嚴(yán)格控制B、C和Si的類金屬雜質(zhì)，今后關(guān)于如何緩解雜質(zhì)引起的晶界脆化的工作值得進(jìn)一步研究。

北京科技大學(xué)呂昭平教授課題組長期致力于高熵合金，非晶合金，超高強度鋼，新型奧氏體耐熱鋼，多孔材料，三維原子探針以及計算材料學(xué)領(lǐng)域的研究工作。著重圍繞新一代金屬結(jié)構(gòu)材料，尤其是合金的強韌化方面，通過合金設(shè)計，廣泛利用先進(jìn)的技術(shù)表征手段，建立組織與性能關(guān)聯(lián)，進(jìn)而獲得優(yōu)化的材料結(jié)構(gòu)與性能。課題組目前承擔(dān)數(shù)項縱向與橫向課題，基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化并重，多項工作已發(fā)表在高影響力期刊上，期待與廣大學(xué)子和學(xué)者的交流與相互學(xué)習(xí)。

X.Y. Yuan, Y. Wu, M. Zhou, X.J. Liu, H. Wang, S.H. Jiang, X.B. Zhang, H.H. Wu, X.C. Liu, Z.P. Chen, X.Q. Xu, Z.P. Lu, Effects of trace elements on mechanical properties of the TiZrHfNb high-entropy alloy, J. Mater. Sci. Technol. 152 (2023) 135–147.