人們不斷尋找新的高溫合金，一些基于難熔元素(Cr-Mo-Nb-Ta-V-W-Hf-Ti-Zr)的新型體心立方(BCC)隨機多組分“高熵合金(HEAs)”在高溫下具有特殊的強度，但其物理來源尚不清楚。

在此，來自荷蘭格羅寧根大學的Francesco Maresca&美國田納西大學的Peter K. Liaw 等研究者，通過集成原位中子衍射(ND)、高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)和最新理論表明，NbTaTiV合金和高強度/低密度CrMoNbV合金的高強度歸因于刃位錯。相關論文以題為“Strength can be controlled by edge dislocations in refractory high-entropy alloys”發表在Nature Communications上。

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-021-25807

為了實現減少碳排放和提高能源效率這一緊迫的社會目標，研究者們正在致力于新材料的發展。一種途徑是用于低溫(T)應用的輕質材料(如Mg、Al和增強塑料)，如運輸，而另一種途徑是高溫(高T)耐損傷材料，以提高燃燒效率(高溫合金和TiAl)。新型高熵合金(HEAs)是一種多組分的單相晶體材料，它隨機占據晶格的原子位置。HEAs具有顯著的屈服強度、延展性和/或斷裂韌性。其中，兩種體心立方(BCC) HEAs, MoNbTaW和MoNbTaVW，具有在遠高于現有高溫合金的溫度下保持高強度(圖1)，但實現這種性能的機制尚未完善。最近的TEM研究表明MoNbTi合金的位錯變形超出了通常假設的(110)<111>a/2對合金的發現鮮有建議的螺位錯。

圖1 合金強度VS溫度。

在此，研究者發現，無論是新近的NbTaTiV還是新的CrMoNbVHEAs的高強度和高T強度保留(圖1)都是由刃位錯控制的。該發現是出乎意料的，因為螺位錯一直被廣泛理解為在BCC元素金屬和稀合金中控制塑性流動，盡管在一些低/中濃度合金中有提示刃位錯運動可能被溶質阻礙。與這種稀合金不同，研究者最近的理論表明，某些復雜HEAs中的刃位錯在遇到非常大的能壘時可以進行滑動，因此，能夠在高溫下保持高強度。因此，雖然本文報道的新型CrMoNbV合金在T = 1173 K時具有迄今為止最高的保留強度，研究者利用這種洞察力和理論，對107個BCC HEAs進行了計算引導搜索，并確定了106個可能的超高強度高T合金成分，以供未來探索。

圖2 中子衍射和透射電鏡實驗表明，NbTaTiV中刃位錯占主導地位。

圖3 中子衍射和透射電鏡實驗表明，CrMoNbV中刃位錯占主導地位。

圖4 BCC HEAs中屈服強度的理論預測。

圖4b和c顯示了約6,000,000合金，在T = 1300k時的估計強度超過1GPa，以及約1,300,000超過2GPa，遠遠超過任何現有合金的強度。在1300 K時，許多合金也具有強度/密度>0.25GPa g/cm3，這是迄今為止室溫下達到的最高水平。研究者提出了兩種超高強度/高t合金Mo5W2.5CrZrHf和Mo2.5W2.5CrZrHf用于制備和測試，在1300 K時的預測強度為~3 GPa。

綜上所述，當前的工作受到最新理論的推動，通過大量的實驗技術證明，刃位錯可以控制BCC高熵合金的強度。這一發現支持使用基于刃位錯強化的力學理論，在BCC合金中尋找新的、強的合金。研究結果表明，該理論是在龐大的HEAs組合空間中進行組合搜索的有效可行方法。