高熵合金的不斷發(fā)展為結(jié)構(gòu)和功能材料的開(kāi)發(fā)提供了新的機(jī)會(huì)。耐火難熔高熵合金(RHEAs)是高熵合金家族的一個(gè)重要子集，自首次單相體心立方(bcc)結(jié)構(gòu)的第一個(gè)實(shí)例被發(fā)現(xiàn)以后，引起了科學(xué)家越來(lái)越多的興趣。高熵難熔合金(RHEA)的高溫屈服強(qiáng)度可以很好的保存，具有較高的穩(wěn)定性。但是目前，難熔高熵合金的開(kāi)發(fā)遇到了一些瓶頸：（1）大多數(shù)報(bào)道的難熔高熵合金在環(huán)境溫度下表現(xiàn)出極低的拉伸延展性；（2）由于難熔元素?cái)U(kuò)散動(dòng)力學(xué)的遲滯，微觀結(jié)構(gòu)的均勻化很受挑戰(zhàn)；（3）在中間溫度下抗氧化性能不足嚴(yán)重阻礙了熱加工處理的應(yīng)用。由于這些挑戰(zhàn)和缺乏足夠復(fù)雜的熱力學(xué)-動(dòng)力學(xué)研究基礎(chǔ)，RHEA的應(yīng)用潛能還沒(méi)有被完全開(kāi)發(fā)。本工作通過(guò)應(yīng)用cantor的方法，利用耐火元素之間的自然混合特性來(lái)最大限度地減少鑄件偏析，從而開(kāi)發(fā)出一種RHEA，具有高溫強(qiáng)度以及塑性和強(qiáng)度的理想組合。

近日，來(lái)自麻省理工學(xué)院的Cemal Cem Tasan教授利用難熔元素之間的自然混合特性，設(shè)計(jì)了一種Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄難熔高熵合金，該合金在鑄態(tài)下具有>20%的拉伸延展性，在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的物理化學(xué)穩(wěn)定性。在多個(gè)長(zhǎng)度尺度上對(duì)潛在變形機(jī)制的研究表明，一種罕見(jiàn)的β′相在這種合金的力學(xué)響應(yīng)中起著主導(dǎo)性的作用，其極大的提高了合金的加工硬化能力，還具有防止元素快速擴(kuò)散的能力。這些結(jié)果揭示了自然混合傾向在加速高熵合金發(fā)現(xiàn)方面的有效性。相關(guān)成果以“Natural-mixing guided design of refractory high-entropy alloys with as-cast tensile ductility”為題發(fā)表在國(guó)際材料頂刊Nature Materilas期刊上。

（1）巧妙的利用難熔元素之間的自然混合特性，設(shè)計(jì)出一種Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄難熔高熵合金；

（2）發(fā)現(xiàn)一種罕見(jiàn)的β′相，具有優(yōu)異的高溫物理-化學(xué)穩(wěn)定性；

圖1 耐火元素成分搜索策略；a) RHEA的鑄態(tài)微觀組織，由九種相同原子比例難熔元素組成。EDS結(jié)果顯示了四個(gè)相偏析區(qū)域的存在，分別富集Ti、Mo、Cr和Hf；b) 四種合金的鑄態(tài)顯微組織；c) 再結(jié)晶Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄ RHEA的微觀結(jié)構(gòu)表征，其組成繼承自a中最大的單相區(qū)(記為T(mén)i-V-Nb-Hf) ；© 2022 Springer Nature

圖2 設(shè)計(jì)的Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄ RHEA的力學(xué)行為；a)室溫下單軸拉伸性能。Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄ RHEA在鑄態(tài)和均質(zhì)-再結(jié)晶處理后均表現(xiàn)出優(yōu)異強(qiáng)度-塑性組合；插圖顯示了與文獻(xiàn)相比，目前兩個(gè)RHEA的比屈服強(qiáng)度(σys/ρ)和斷裂伸長(zhǎng)率(εf)之間的理想?yún)f(xié)同作用的Ashby圖；b)應(yīng)變硬化率與局部應(yīng)變剖面圖。插圖顯示了兩個(gè)RHEA在縮頸起始點(diǎn)(光環(huán)圈)和斷裂前的局部應(yīng)變剖面。© 2022 Springer Nature

圖3 Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄ RHEA的變形機(jī)制研究；a)局部應(yīng)變水平為~10%時(shí)表面臺(tái)階的形態(tài)(見(jiàn)黃色箭頭)；b) ECCI和TEM表征位錯(cuò)構(gòu)型。左圖:低倍率ECCI顯微照片，顯示在局部應(yīng)變水平為~3.0%時(shí)存在溝道帶。右圖:最上面一排的高倍ECCI顯微照片顯示了彎曲位錯(cuò)結(jié)構(gòu)(黃色箭頭突出顯示)，表明納米尺度異質(zhì)性的存在，底部的TEM BF圖像驗(yàn)證了ECCI觀測(cè)結(jié)果；c)定量評(píng)估由于溝道帶形成的對(duì)比和局部取向差。d)EBSD IPF圖、相圖和GROD圖表明，位錯(cuò)塑性變形發(fā)生在溝道帶內(nèi)，但沒(méi)有機(jī)械孿生或相變的特征。© 2022 Springer Nature

圖4 Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄ RHEA結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的原子尺度表征。a) HRTEM顯微照片與相應(yīng)的FFT模式表明存在bct結(jié)構(gòu)的納米級(jí)沉淀物；從實(shí)測(cè)的FFT圖形和模擬的FFT圖形性特征表明，納米沉淀物的晶體結(jié)構(gòu)為c軸收縮的bct結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)a_β0'與基體bcc晶格相同；b) APT圖。等成分面證明了成分的非均質(zhì)性。c)沿著b中選定的粒子獲得的近似值，顯示bcc矩陣和bct沉淀物之間的元素分配特征。d)左邊為納米沉淀物結(jié)構(gòu)變形機(jī)理的定性說(shuō)明。右邊顯示的是一系列扭曲區(qū)域的HRTEM顯微照片。隨著電子束退火時(shí)間的延長(zhǎng)，該區(qū)域經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)恢復(fù)，逐漸改善了局部晶格周期性，支持了所提出的析出-結(jié)構(gòu)畸變機(jī)制。e) TEM BF(接近雙光束條件)和從變形試樣中拍攝的相應(yīng)DF顯微照片。© 2022 Springer Nature

道法自然，巧妙的利用各元素的特性，采用自然法則開(kāi)發(fā)高熵合金，是一種非常有前景的結(jié)構(gòu)和功能材料發(fā)展策略。

論文詳情：

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0750-4