《Acta Materialia》：具有超强成形性的强韧性难熔高熵合金！

2023-02-09 17:00:37 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

作为一类新的金属材料，高熵合金（HEAs）或由四种或更多主要元素组成的复杂的浓缩合金极大地拓展了合金设计的空间。在广泛的温度范围内，HEAs已经发现了越来越多的有吸引力的特性，包括在环境温度下出色的强度-传导性协同作用，在低温下卓越的机械性能以及在高温下超高的强度。在各种HEA中，难熔HEA（RHEAs）脱颖而出，因为它们在800^◦C以上的高温下具有无与伦比的机械性能，在某些情况下甚至可以达到1500^◦C，这使它们成为高温结构应用的有前途的候选材料，其性能超过了传统的镍基超耐热合金。难熔高熵合金（RHEA）被认为是目前使用超合金的高温结构应用的有前途的候选材料。然而，对于大多数已报道的RHEA来说，它们在室温下的不良延展性和可忽略的冷加工性阻碍了它们的使用。

来自加州大学欧文分校的学者报告了一类新的非等离子NbTaTi基RHEAs，它可以在不进行表面处理和/或中间退火的情况下，其延展性差从铸造状态直接冷轧90%以上。这种优秀的冷加工能力是通过激活高密度的位错和变形孪生体以及高扩散路径来实现的，因此这些RHEAs可以在较低的退火温度下以更短的时间长度来实现均质化。此外，本研究发现：RHEAs在高温下依然能够保持高强度，在低温条件下表现出相当大的延展性，避免了传统的强度-延展性权衡。这类超级成型的RHEAs为通过节能和省时的方法制造高温结构材料提供了一种新的设计途径。相关文章以“Strong and ductile refractory high-entropy alloys with super formability”标题发表在Acta Materialia。

论文链接：

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

图1. Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在室温下出色的冷加工性能和相关的变形微观结构。Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA从（a）铸造状态到厚度减少（RIT）（b）50%（出现一些表面缺陷）（c）75%和（d）91%的图像。冷轧Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA的电子背散射衍射（EBSD）反极点图（IPF）和相关的错向剖面图，RIT为（e）10%，（f）20%，（g）30%，和（h）60%。(i) 透射电子显微镜(TEM)明视场(BF)显微照片，在RIT为91%的NTTHZ RHEA中具有高密度位错的片状带。

图4. Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA的微观结构和相关元素分布，具有异质层（HL）结构。(a) Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅ RHEA在冷轧后的EBSD反极图，RIT为90%，在900^◦C退火1小时。（b）恢复状态的超细晶粒（UFG）分布在黑色区域。(c) 轧制和退火的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅中超细晶粒和fne晶粒的扫描TEM显微照片和相关EDS图谱，显示没有元素偏析。

图5. 冷轧Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在不同条件下退火后不同微观结构的EBSD反极点图和相关带状对比图。(a) CR90 Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在1150^◦C退火1小时后的EBSD IPF。(b) (a)图中的相关EBSD BC图像，显示了fine-grained微结构。(c) CR90 Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在1300 ^oC退火0.5小时后的EBSD IPF。

图6. 具有HL结构的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在常温至高温下实现的高抗拉强度-传导性协同作用。(a)具有HL结构的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在环境温度和高温（800、900、1000和1100^◦C）下的真实应力-应变（SS）曲线。HL-NTTHZ RHEA在室温下拉伸试验后的断裂表面的SEM显微照片，展示了高密度的凹痕和(b)和(c)中的韧性断裂类型。

图8. 对压缩的结构演变反应。(a) Nb₆₀Ta₂₅Ti₁₅分别在10%应变、20%应变、30%应变下沿[110]方向被压缩。(b) Nb₆₀Ta₂₅Ti₁₅沿[001]方向受压。Nb₆₀Ta₂₅Ti₁₅内的双子胚胎和双子生长。(c) 纯Nb沿[001]方向受压，变形受纯位错滑移支配。

图9. 具有HL结构的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅的拉伸强度与测试温度的关系，与韧性高温金属和合金相比，包括传统的Ni基超耐热合金，难熔金属（Nb，Ta）以及难熔Nb基合金和Ta基合金。

图10. 具有HL结构的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在不同塑性阶段的变形机制。(a) 变形的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA的TEM前移电子衍射（PED）IPF，应变为0.05。(b) 从(a)图中的变形试样中提取的相应的核平均错向图（KAM），显示出更高的应变定位和沿界面更强的位错活动。(c) EBSD IPF图像显示在0.08的应变下大多数晶粒沿拉伸方向被拉长；(d) 平均真实应变为0.36的晶粒的应变分布。(f) Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅的EBSD带状对比(BC)显微照片，应变为0.12。(g) 与(f)相对应的基于EBSD的晶粒平均GND密度图，显示位错密度的显著异质分布，单位：log₁₀(m^-2).

本研究设计并制造了一种新型的难熔HEA，它具有良好的加工性能，可以在室温下直接从铸造状态进行严重的冷加工，而不需要中间退火。由凝固引起的表面缺陷可以通过冷轧过程本身来消除。据推测，在冷轧过程中形成的变形诱导双胞胎和微带是这种自愈现象的原因。变形诱导孪生的形成机制通过MD模拟分析得到证实。优秀的冷加工性能使这种RHEA在随后的退火步骤中具有可调整的微观结构。位错管扩散大大增加了扩散率，使这种RHEA以一种能量和时间效率高的方式变得均匀，这是超高熔点合金的真正成就。本研究还通过实验证明，本研究的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在低温到高温下既坚固又有韧性。背应力强化有助于异质结构的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在环境温度下的高拉伸强度。本研究基于NbTaTi的难熔HEA设计策略为设计和制造具有超高熔点和优良加工性的金属材料提供了一种实用的方法。