四校联发《Acta Materialia》：具有极佳可成形性的高强韧难熔高熵合金

2023-02-01 17:29:47 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

由于具备优异的高温力学性能，难熔高温高熵合金被看作是现有镍基超级合金的替代者。然而，对于大多数已报道的难熔高熵合金，它们在室温下可忽略的韧性和极其有限的可加工性限制了它们的应用。

近日，来自加州大学尔湾分校、加州大学圣地亚哥分校、牛津大学和加州大学伯克利分校的研究人员，设计了一组非等原子比NbTaTi基的难熔高熵合金，该类合金可在铸态条件下逐步冷轧至90%以上而无需中途退火，显示出了非常好的冷加工能力。该合金的可成形性来源于高密度位错、显微带和形变孪晶的激发。同时，高密度位错形成了高速率的扩散通道，使得样品在较低温度和较短时间下就可消除偏析，达到了成分均匀。更重要的是，该类难熔高温高熵合金不仅仅在高温条件下（>1000°C）显示出了高强度，而且在液氮温度下（-196°C）也能保持相当高的韧性，在大温度范围内突破了“强度-韧性”的掣肘。该工作提供了一种既节能又省时的设计高温结构材料的新思路和新方法。相关论文以题为“Strong and ductile refractory high-entropy alloys with super formability”发表在金属顶刊《Acta Materialia》，第一作者为Cheng Zhang，通讯作者为中国工程院外籍院士Enrique Lavernia教授。

论文链接：

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

图1 室温下Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅Zr₅难熔高熵合金(NTTHZ RHEA)的优异成形性以及冷轧过程中的微观结构变化。(a) 铸态；(b)冷轧至50%，表面出现微小裂纹，主要是之前的凝固缺陷造成的；(c) 冷轧至75%；(d) 冷轧至91%，表面裂纹消失。在冷轧过程中，随着压下量的增加，在图(e-h)(压下量10-60%)中，出现了形变孪晶以及显微带和切变带（切变带出现时压下量为80%，见支持材料），而当压下量达到91%时，出现了高密度的位错以及层状结构。

图2 Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅Zr₅难熔高熵合金在冷轧过程中表面的变化以及相应的有限元模型，显示出了独特的过程自愈现象。

图3 在压缩过程中结构变化的计算模拟。(a) Nb₆₀Ta₂₅Ti₁₅基底沿着[110]方向进行形变量为10%, 20%, 30%的压缩。从左到右为，孪晶形核，增殖，以及生长。(b) Nb₆₀Ta₂₅Ti₁₅基底沿着[001]方向进行压缩。可以看到孪晶的形核与生长。(c) 纯Nb沿着[001]方向压缩，形变由位错滑移占据主导。

图4 异质层状结构（细晶+超细晶）的Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅Zr₅难熔高熵合金以及相关的元素分布。冷轧90%后，在900°C下退火1个小时，铸态时的偏析完全消失，这是由于元素沿着位错快速扩散，在较低温度和较短时间内就可达到均匀。而相同基底的一组合金，在1500°C和1300°C的条件下加热12小时，枝晶和元素偏析依旧存在（见支持材料）。由于具备优异的成形性，通过后续的热处理，可以调控微观结构，比如细晶结构和粗晶结构。

图5 异质层状结构（HL）的Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅Zr₅难熔高熵合金在室温和高温条件下的力学性能。(a) 异质层状结构的合金在室温和高温条件下(800-1100°C)的拉伸真应力-应变曲线，显示出了优异的力学性能。在室温下与细晶结构(FG)和粗晶结构(CG)的样品相比，异质结构的样品表现出了更好的拉伸性能。这主要得益于非均匀形变引起的强化。(b,c) 室温下拉伸后异质结构样品的断裂表面，显示了韧性断裂。