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香港城大、松山湖材料實驗室《Scripta Materialia》：基于非傳統(tǒng)氧化物摻雜效應(yīng)設(shè)計高強、高韌、輕質(zhì)中高熵合金

2024-05-16 14:42:05 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

研究背景：高熵或中熵合金（M/HEAs）由于其潛在的突出機械性能、高耐腐蝕性和良好的熱穩(wěn)定性，在材料科學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。例如，FeCoNiCr基M/HEAs可以在低溫或高溫環(huán)境下表現(xiàn)出較好的強度。然而，由于其較高的質(zhì)量密度（通常高于8.0g/cm³），這種類型的M/HEA仍然具有一定的局限性，嚴重限制了其實際應(yīng)用。類似的，Ti30Zr30Hf16Nb24 HEA表現(xiàn)出約800 MPa的相對較高的屈服強度和約17%的均勻應(yīng)變。然而，它的質(zhì)量密度高達9.4 g/cm³。相比之下，Al17Ni34Ti17V32合金的密度相對較低，僅為6.2 g/cm³，且在室溫和高溫下都具有良好的抗壓強度。然而，迄今為止，其拉伸性能仍不清楚。如何在輕質(zhì)M/HEA的延展性和強度之間實現(xiàn)令人滿意的強韌性結(jié)合仍然是一個艱巨的挑戰(zhàn)。綜上所述，開發(fā)具有低質(zhì)量密度的高性能輕質(zhì)M/HEA是提高能源利用效率的當務(wù)之急，尤其是在航空航天和汽車等行業(yè)。

引入陶瓷顆粒可以釘扎晶界和位錯，已被證明是提高合金強度的有效策略之一。例如，Taha等人開發(fā)了一種新型的銅基合金，該合金通過粉末冶金以ZrO2顆粒作為第二相進行增強，獲得了55～79MPa的壓縮屈服強度和0.47～0.35%的塑性應(yīng)變。此外，將Al2O3顆粒作為第二相引入HfNbTaTiZrV HEA，其壓縮屈服強度從1.3 GPa提高到2.7 GPa，但塑性應(yīng)變從32%降低到了4%。由此可見，在合金中引入陶瓷顆粒通常會帶來一個重大問題，即導(dǎo)致合金變脆。一方面，大多數(shù)陶瓷顆粒本質(zhì)上是堅硬和脆性的，這使得它們在外部負載時容易斷裂。另一方面，合金基體和陶瓷相之間較差的塑性相容性和較弱的結(jié)合，導(dǎo)致沿其界面嚴重的局部應(yīng)力集中和裂紋形成，使延展性較差的合金顯著脆化。

為了解決這一關(guān)鍵問題，香港城市大學(xué)和松山湖材料實驗室聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊提出了一種消除陶瓷-金屬材料界面的策略，通過不尋常的氧化物摻雜效應(yīng)成功提高了輕質(zhì)MEA的強度和延展性。研究中采用電弧熔煉技術(shù)進行了ZrO2摻雜工藝。與粉末冶金加工中陶瓷顆粒的典型觀察不同，這里摻雜的ZrO2顆粒完全溶解在MEA中。ZrO2顆粒的存在深刻影響了沉淀行為和晶粒尺寸，最終影響了輕質(zhì)MEA的強度和延展性。基于多尺度測試和分析，闡明了合金力學(xué)性能的強韌化機制。這些發(fā)現(xiàn)將有助于更好地理解和優(yōu)化輕質(zhì)MEA的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能，從而為其在航空航天和汽車工業(yè)等各種應(yīng)用中的應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。相關(guān)成果以“Developing strong-yet-ductile light-weight medium-entropy alloy via the unusual oxide doping effect”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Scripta Materialia》上。論文通訊作者為香港城市大學(xué)楊濤教授，第一作者為Xia Li,共同通訊作者為松山湖材料實驗室柯海波教授。其他合作者包括遼寧材料實驗室Shaofei Liu教授，松山湖材料實驗室汪衛(wèi)華院士等。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116141