導讀：在難熔高熵合金（RHEAs）中添加抗氧化元素（如Al、Cr、Si）可提高其高溫抗氧化性，但常降低室溫延展性，這對RHEAs的進一步應用提出了極大挑戰。在本研究確定了拉伸韌性 TiVNbTa，將其與 Si 合金化，然后通過簡單的熱軋工藝使最初脆性的 TiVNbTaSi0.1 韌性化。熱加工有效地細化了 TiVNbTaSi0.1 的微觀結構并產生了高密度的納米硅化物，這有助于達到前所未有的機械性能，即約 1250MPa 的屈服強度和約 8% 的拉伸延展性。與報道的延展性 RHEA 相比，TiVNbTaSi0.1 以及 TiVNbTa 和 TiVNbTaSi0 均顯示出優異的抗氧化性。TiVNbTaSi0.1 的這些卓越性能凸顯了其在高溫應用中的巨大潛力。

近幾十年來，對難熔高熵合金 (RHEA) 的研究越來越多，因為它們在高溫下具有前所未有的強度，這對于在噴氣發動機和發電中的應用非常有吸引力，以提高其效率。然而，大多數 RHEA 的延展性（即加工性）較差，室溫下壓縮斷裂應變 <10% ，這極大地阻礙了它們的應用。例如，NbMoTaW 和 VNbMoTaW 在 1600°C 下可表現出高達 400MPa 的屈服強度，遠高于傳統的鎳基合金和難熔合金，但它們在環境壓縮試驗下僅顯示約 2% 的斷裂應變。已經付出了很多努力來開發可延展的 RHEA。

HfNbTaTiZr 及其衍生物包含 Ti、Zr 和/或 Hf 作為主要成分）是研究最廣泛的 RHEA，可以表現出出色的拉伸延展性，斷裂應變約為 15%。然而，這些合金顯示有限的強度（~950MPa），在高貧相穩定性/介質的溫度，和甚至是災難性的氧化的溫度范圍內600-1000℃，這在高溫下的應用中是不受歡迎的。最近，魏等人。設計了新型 TiVNbHf RHEA，具有約 16-22% 的優異鑄態拉伸延展性和高達約 1000 MPa 的屈服強度。該體系的相穩定性和抗氧化性對 Ti/V 比敏感，與非等摩爾 Ti 38 V 15 Nb 23 Hf 24相比，等摩爾合金顯示出較差的相穩定性和增加的氧化。TiVNbTa RHEAs 是另一種據報道具有延展性的系統，因為它們具有高壓縮應變極限（> 30% ），尤其是斷裂韌性四點彎曲試驗表明，而這些合金的力學性能從未通過拉伸試驗進行評估，其抗氧化性和高溫相穩定性仍有待研究。

在本文中，北京理工大學使用拉伸試驗仔細研究了等摩爾 TiVNbTa 和的TiVNbTaSi RHEA。硅作為添加劑，可以降低合金的密度，提高強度，提高合金的抗氧化性，在傳統的難熔合金中得到了廣泛的應用，如Nb-Si、Nb-鈦硅，鉬硅硼 。納米級 硅化物的形成和分布在 TiVNbTaSi 中通過熱加工得到有效控制，可以顯著增強其強度-塑性協同作用。TiVNbTa 首次被證明具有約 14% 的拉伸延展性。Si的添加可以有效地提高合金的抗氧化性和強度，同時由于形成硅化物共晶導致鑄態脆性。相關研究成果以題“Designing TiVNbTaSi refractory high-entropy alloys with ambient tensile ductility”發表在國際著名期刊Scripta materialia上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646221005108

圖1。(a) TiVNbTa (EM) 和 (b) TiVNbTaSi 0.1 (SiO1) 的背散射電子 (BSE) 圖像和 EPMA-WDS 圖。(c) (b) 中典型暗相區域的高倍放大圖像。(d) EM 和 SiO1 的XRD圖。(e)鑄態 SiO1 的EBSD圖和 (f) TEM 圖像。A 和 B 是(f) 中標記的區域的相應SAED 模式。

圖2。熱軋后TiVNbTaSi 0.1合金的BSE 圖像和相應的EBSD圖，厚度減少量分別為 (a)-(c) 60%、(d)-(f) 80% 和 (g)-(i) 85%。(j)-(l) HR85 中沉淀納米硅化物的TEM 圖像和SAED 圖案。

不同加工狀態的TiVNbTa和TiVNbTaSi 0.1合金的拉伸性能如圖3所示。等摩爾 TiVNbTa (EM) 表現出約 720MPa 的屈服強度和以約 14% 的拉伸伸長率表示的優異延展性（圖 3（b）中的黑色數據點），對應于顯示大量凹痕的典型延性斷裂表面（圖 3 （圖 3））g) 和 (h))。這種良好的拉伸延展性從未在以前的研究中展出上TiVNbTa 。隨著 Si 的加入，鑄態 SiO1 的屈服強度顯著增加到約 1120MPa，而其延展性降低到約 1.4%，伴隨著圖 3（c）和（d）所示的解理斷裂。這應該歸因于圖 1（b）中所示的 M 5 Si 3共晶網絡，它提高了強度，但也提供了使延展性惡化的裂紋成核位置和傳播路徑。

圖3。(a) TiVNbTaSi 0.1在鑄態和熱軋狀態下的典型應力-應變曲線和 (b)拉伸性能。(b) 中的平均值和標準偏差來自每種合金的 3 次測量。(c)、(d) 鑄態 TiVNbTaSi 0.1 的典型斷口形貌；(e)、(f) HR85；(g), (h) 鑄態 TiVNbTa 樣品。

圖4。TiVNbTa (EM)和HR85的抗氧化性和相穩定性。(a)不同溫度下質量隨暴露時間的變化。(b)兩種合金在不同溫度下暴露2h后的形貌。800°c -2h (c) EM和(d) HR85合金的顯微組織。用EDS (EM)和EPMA-WDS (HR85)測量元素圖。(e) EM和TiVNbTaSi0.1平衡凝固路徑的計算。(f)-(h) EM和(i)-(k) HR85在600°C、800°C和1000°C退火50h后的BSE圖像顯示沒有額外的相。

TiVNbTaSi 0.1 的這種抗氧化性/強度-延展性權衡通過簡單的熱軋工藝解決了納米硅化物沉淀并顯著細化微觀結構，因此生產出具有拉伸屈服強度~1250MPa和延展性~8%的合金。TiVNbTa 和 TiVNbTaSi RHEA 在 500 °C 以上的溫度下都表現出出色的相穩定性。