第一作者：崔丁聰；通訊作者：王錦程，何峰

通訊單位：西北工業大學

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.01.038

01 全文速覽

本文瞄準先進金屬結構材料對于強塑性統一的迫切需求，設計出一種新型難熔高熵合金-Ti41V27Hf15Nb15O2，該合金在已報道的高熵合金中表現出極高的拉伸屈服強度(~1.5 GPa) 和良好的延伸率(~12%)組合，有望突破難熔高熵合金的性能桎梏與應用瓶頸。

02 研究背景

難熔高熵合金(RHEAs)具有高熔點、優異的高溫強度等特點，在航空航天、核工業等領域展現出誘人的高溫應用前景。但大多數RHEAs室溫塑性差，導致其加工成型與工程化應用舉步維艱。

03 本文亮點

考慮到RHEAs的組成元素對氧原子非常敏感，在制備過程中氧原子的攝入不可避免，且往往會惡化其力學性能，是否可以變“害”為“寶”的呢？本文先探明了氧元素對于RHEA子系二元合金體系的影響機制，表明氧摻雜可以改變其凝固行為與相穩定性。基于此，以具有塑性的TiVHfNb系RHEAs作為模型合金，通過不同含量的氧摻雜影響其相穩定性，達到調控凝固組織的目的。

04 圖文解析

研究中發現2 at.%的氧摻雜可以誘導TiVHfNb RHEA產生納米級的調幅分解雙相。如圖1的TEM圖像所示，Ti41V27Hf15Nb15O2合金形成了納米級的條狀析出物，衍射分析確定不同襯度相(基體β和析出物β*)都屬于BCC相，表現出調幅分解組織的典型特征。幾何相位分析發現β*相與β相的晶格錯配導致了不均勻的局部應變分布。

圖1 氧摻雜前后TiVHfNb難熔高熵合金的納觀組織

圖2 氧摻雜TiVHfNb難熔高熵合金的熱力學相圖與其調幅分解溫度隨O含量與Ti含量的變化曲線

為了探究TiVHfNb難熔高熵合金調幅分解的熱力學本質，通過Thermocalc軟件分析了氧對TiVHfNb合金調幅分解溫度(Tsp)的影響，見圖2。隨著氧含量的增加，BCC相對應的Tsp顯著增加，2 at% 氧摻雜即可使Tsp提高~545 K，極大拓展了合金的調幅區間，促進了調幅分解的發生。

圖3 調幅分解型TiVHfNb系難熔高熵合金的工程應力-應變曲線及力學性能對比

測試氧摻雜前后TiVHfNb難熔高熵合金的室溫拉伸性能，以探究調幅結構的強化效果。如圖3所示，Ti41V27Hf16Nb16基體合金的延伸率為~25%，屈服強度為~953 MPa。O摻雜后將屈服強度顯著提高到~1517 MPa，結合晶格錯配強化和模量增幅強化的調幅強化是合金強度大幅提高的原因(強化機制分析請見文獻)。圖4所示為難熔高熵合金氧摻雜前后的位錯組態，平面滑移向波狀滑移的轉變保證了Ti41V27Hf15Nb15O2在超高強度下仍具有良好的延伸率(~12%)。

圖4 氧摻雜前后TiVHfNb難熔高熵合金的變形與斷裂機制

圖5 基于原子對混合焓值設計調幅型難熔高熵合金的策略示意圖

最后，作者探討了不同原子對的混合焓值對于難熔高熵合金調幅分解的影響，提出采用與難熔金屬元素混合焓值高的N，Al等元素可以有效調控調幅分解組織(圖5)，此策略有望促進難熔高熵合金作為超高強結構材料的發展與應用。

05 結論展望

研究發現2 at.%的氧摻雜可以誘導TiVHfNb RHEA產生納米級的調幅分解雙相，并借助于熱力學計算闡明了調幅分解的來源；結合X射線衍射、透射電子顯微鏡(TEM)等技術進行強韌化機制的分析，表明調幅分解結構助力實現了超強高韌RHEA。最后，作者提出了基于混合焓值的調幅型RHEA設計策略，為新型RHEA的研發提供了新的見解。

06 課題組簡介

西北工業大學材料微觀組織計算與合金設計課題組，團隊由王錦程教授負責、現有“千人計劃”首席專家 1 人、國家級青年人才 1 人，教授 3 人、副教授3 人。課題組以凝固技術國家重點實驗室的學科發展為依托，長期開展材料微觀組織計算及合金設計方面的科研工作，主要具體研究方向包括：凝固過程及其微觀組織數值模擬、納米多晶組織演化及其變形機制以及高性能金屬材料及合金設計等。現有在讀博士研究生 10 余人、碩士研究生 30 余人。課題組近五年來先后承擔國家自然科學基金項目、973 計劃項目、國防預研、航空基金等國家及省部級科研項目 20 余項。獲陜西省科學技術二等獎 1 項，陜西省高等學校科學技術一等獎 2 項，授權國家發明專利 8 項。近年來，課題組共發表 SCI 收錄學術論文 120 余篇，其中大部分發表在 Nature Communications, Acta Mater，International Journal of Plasticity，Scripta Mater，PRE，J Cryst Growth 等本研究領域頂級期刊上。

多年來，課題組以培養創造性人才為已任，培養了多名優秀畢業生，其中包括多名陜西省優秀畢業生、洪堡獎學金獲得者、香江學者等。組內會定期開展傳幫帶、聚餐與團建活動，師生同門之間關系融洽。同時，課題組非常注重國際與國內交流與合作，與日本物質材料研究機構(NIMS)、日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)、德國卡爾斯魯厄理工大學(KIT)、德國德累斯頓工業大學(DUT)、韓國浦項理工大學(POSTECH)、香港城市大學等國際知名研究機構保持密切的國際合作關系。支持鼓勵學生參加國際會議、與國外大學聯合培養及國外短期學術訪問等國際學術交流。

因學科發展和研究需要，本組長期招收博士后和科研助理。崗位要求與待遇詳見課題組網站鏈接(http://www.jchwang.com)。有意者請按要求把應聘材料發送至何峰老師郵箱：fenghe1991@nwpu.edu.cn郵件標題以"應聘博士后/科研助理+本人姓名"命名，本招聘長期有效，歡迎共襄盛舉！

07 引用本文

Dingcong Cui, YuyuZhang, LinxiangLiu,Yue Li, Lei Wang, Zhijun Wang, Junjie Li, Jincheng Wang*, Feng He*, Oxygen-assisted spinodal structure achieves 1.5 GPa yield strength in a ductile refractory high-entropy alloy, J. Mater. Sci. Technol. 141 (2023) 193-198.