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《Acta Materialia》：具有超強(qiáng)成形性的強(qiáng)韌性難熔高熵合金！

2023-02-09 17:00:37 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

作為一類新的金屬材料，高熵合金（HEAs）或由四種或更多主要元素組成的復(fù)雜的濃縮合金極大地拓展了合金設(shè)計(jì)的空間。在廣泛的溫度范圍內(nèi)，HEAs已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了越來越多的有吸引力的特性，包括在環(huán)境溫度下出色的強(qiáng)度-傳導(dǎo)性協(xié)同作用，在低溫下卓越的機(jī)械性能以及在高溫下超高的強(qiáng)度。在各種HEA中，難熔HEA（RHEAs）脫穎而出，因?yàn)樗鼈冊(cè)?00^?C以上的高溫下具有無與倫比的機(jī)械性能，在某些情況下甚至可以達(dá)到1500^?C，這使它們成為高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用的有前途的候選材料，其性能超過了傳統(tǒng)的鎳基超耐熱合金。難熔高熵合金（RHEA）被認(rèn)為是目前使用超合金的高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用的有前途的候選材料。然而，對(duì)于大多數(shù)已報(bào)道的RHEA來說，它們?cè)谑覝叵碌牟涣佳诱剐院涂珊雎缘睦浼庸ば宰璧K了它們的使用。

來自加州大學(xué)歐文分校的學(xué)者報(bào)告了一類新的非等離子NbTaTi基RHEAs，它可以在不進(jìn)行表面處理和/或中間退火的情況下，其延展性差從鑄造狀態(tài)直接冷軋90%以上。這種優(yōu)秀的冷加工能力是通過激活高密度的位錯(cuò)和變形孿生體以及高擴(kuò)散路徑來實(shí)現(xiàn)的，因此這些RHEAs可以在較低的退火溫度下以更短的時(shí)間長度來實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化。此外，本研究發(fā)現(xiàn)：RHEAs在高溫下依然能夠保持高強(qiáng)度，在低溫條件下表現(xiàn)出相當(dāng)大的延展性，避免了傳統(tǒng)的強(qiáng)度-延展性權(quán)衡。這類超級(jí)成型的RHEAs為通過節(jié)能和省時(shí)的方法制造高溫結(jié)構(gòu)材料提供了一種新的設(shè)計(jì)途徑。相關(guān)文章以“Strong and ductile refractory high-entropy alloys with super formability”標(biāo)題發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118602

圖1. Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在室溫下出色的冷加工性能和相關(guān)的變形微觀結(jié)構(gòu)。Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA從（a）鑄造狀態(tài)到厚度減少（RIT）（b）50%（出現(xiàn)一些表面缺陷）（c）75%和（d）91%的圖像。冷軋Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA的電子背散射衍射（EBSD）反極點(diǎn)圖（IPF）和相關(guān)的錯(cuò)向剖面圖，RIT為（e）10%，（f）20%，（g）30%，和（h）60%。(i) 透射電子顯微鏡(TEM)明視場(BF)顯微照片，在RIT為91%的NTTHZ RHEA中具有高密度位錯(cuò)的片狀帶。

圖4. Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA的微觀結(jié)構(gòu)和相關(guān)元素分布，具有異質(zhì)層（HL）結(jié)構(gòu)。(a) Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅ RHEA在冷軋后的EBSD反極圖，RIT為90%，在900^?C退火1小時(shí)。（b）恢復(fù)狀態(tài)的超細(xì)晶粒（UFG）分布在黑色區(qū)域。(c) 軋制和退火的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅中超細(xì)晶粒和fne晶粒的掃描TEM顯微照片和相關(guān)EDS圖譜，顯示沒有元素偏析。

圖5. 冷軋Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在不同條件下退火后不同微觀結(jié)構(gòu)的EBSD反極點(diǎn)圖和相關(guān)帶狀對(duì)比圖。(a) CR90 Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在1150^?C退火1小時(shí)后的EBSD IPF。(b) (a)圖中的相關(guān)EBSD BC圖像，顯示了fine-grained微結(jié)構(gòu)。(c) CR90 Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在1300 ^oC退火0.5小時(shí)后的EBSD IPF。

圖6. 具有HL結(jié)構(gòu)的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在常溫至高溫下實(shí)現(xiàn)的高抗拉強(qiáng)度-傳導(dǎo)性協(xié)同作用。(a)具有HL結(jié)構(gòu)的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在環(huán)境溫度和高溫（800、900、1000和1100^?C）下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變（SS）曲線。HL-NTTHZ RHEA在室溫下拉伸試驗(yàn)后的斷裂表面的SEM顯微照片，展示了高密度的凹痕和(b)和(c)中的韌性斷裂類型。

圖8. 對(duì)壓縮的結(jié)構(gòu)演變反應(yīng)。(a) Nb₆₀Ta₂₅Ti₁₅分別在10%應(yīng)變、20%應(yīng)變、30%應(yīng)變下沿[110]方向被壓縮。(b) Nb₆₀Ta₂₅Ti₁₅沿[001]方向受壓。Nb₆₀Ta₂₅Ti₁₅內(nèi)的雙子胚胎和雙子生長。(c) 純Nb沿[001]方向受壓，變形受純位錯(cuò)滑移支配。

圖9. 具有HL結(jié)構(gòu)的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅的拉伸強(qiáng)度與測試溫度的關(guān)系，與韌性高溫金屬和合金相比，包括傳統(tǒng)的Ni基超耐熱合金，難熔金屬（Nb，Ta）以及難熔Nb基合金和Ta基合金。

圖10. 具有HL結(jié)構(gòu)的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在不同塑性階段的變形機(jī)制。(a) 變形的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA的TEM前移電子衍射（PED）IPF，應(yīng)變?yōu)?.05。(b) 從(a)圖中的變形試樣中提取的相應(yīng)的核平均錯(cuò)向圖（KAM），顯示出更高的應(yīng)變定位和沿界面更強(qiáng)的位錯(cuò)活動(dòng)。(c) EBSD IPF圖像顯示在0.08的應(yīng)變下大多數(shù)晶粒沿拉伸方向被拉長；(d) 平均真實(shí)應(yīng)變?yōu)?.36的晶粒的應(yīng)變分布。(f) Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅的EBSD帶狀對(duì)比(BC)顯微照片，應(yīng)變?yōu)?.12。(g) 與(f)相對(duì)應(yīng)的基于EBSD的晶粒平均GND密度圖，顯示位錯(cuò)密度的顯著異質(zhì)分布，單位：log₁₀(m^-2).

本研究設(shè)計(jì)并制造了一種新型的難熔HEA，它具有良好的加工性能，可以在室溫下直接從鑄造狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)重的冷加工，而不需要中間退火。由凝固引起的表面缺陷可以通過冷軋過程本身來消除。據(jù)推測，在冷軋過程中形成的變形誘導(dǎo)雙胞胎和微帶是這種自愈現(xiàn)象的原因。變形誘導(dǎo)孿生的形成機(jī)制通過MD模擬分析得到證實(shí)。優(yōu)秀的冷加工性能使這種RHEA在隨后的退火步驟中具有可調(diào)整的微觀結(jié)構(gòu)。位錯(cuò)管擴(kuò)散大大增加了擴(kuò)散率，使這種RHEA以一種能量和時(shí)間效率高的方式變得均勻，這是超高熔點(diǎn)合金的真正成就。本研究還通過實(shí)驗(yàn)證明，本研究的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在低溫到高溫下既堅(jiān)固又有韌性。背應(yīng)力強(qiáng)化有助于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在環(huán)境溫度下的高拉伸強(qiáng)度。本研究基于NbTaTi的難熔HEA設(shè)計(jì)策略為設(shè)計(jì)和制造具有超高熔點(diǎn)和優(yōu)良加工性的金屬材料提供了一種實(shí)用的方法。