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四校聯(lián)發(fā)《Acta Materialia》：具有極佳可成形性的高強(qiáng)韌難熔高熵合金

2023-02-01 17:29:47 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

由于具備優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，難熔高溫高熵合金被看作是現(xiàn)有鎳基超級(jí)合金的替代者。然而，對(duì)于大多數(shù)已報(bào)道的難熔高熵合金，它們?cè)谑覝叵驴珊雎缘捻g性和極其有限的可加工性限制了它們的應(yīng)用。

近日，來(lái)自加州大學(xué)爾灣分校、加州大學(xué)圣地亞哥分校、牛津大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員，設(shè)計(jì)了一組非等原子比NbTaTi基的難熔高熵合金，該類(lèi)合金可在鑄態(tài)條件下逐步冷軋至90%以上而無(wú)需中途退火，顯示出了非常好的冷加工能力。該合金的可成形性來(lái)源于高密度位錯(cuò)、顯微帶和形變孿晶的激發(fā)。同時(shí)，高密度位錯(cuò)形成了高速率的擴(kuò)散通道，使得樣品在較低溫度和較短時(shí)間下就可消除偏析，達(dá)到了成分均勻。更重要的是，該類(lèi)難熔高溫高熵合金不僅僅在高溫條件下（>1000°C）顯示出了高強(qiáng)度，而且在液氮溫度下（-196°C）也能保持相當(dāng)高的韌性，在大溫度范圍內(nèi)突破了“強(qiáng)度-韌性”的掣肘。該工作提供了一種既節(jié)能又省時(shí)的設(shè)計(jì)高溫結(jié)構(gòu)材料的新思路和新方法。相關(guān)論文以題為“Strong and ductile refractory high-entropy alloys with super formability”發(fā)表在金屬頂刊《Acta Materialia》，第一作者為Cheng Zhang，通訊作者為中國(guó)工程院外籍院士Enrique Lavernia教授。

論文鏈接：

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

圖1 室溫下Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅Zr₅難熔高熵合金(NTTHZ RHEA)的優(yōu)異成形性以及冷軋過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化。(a) 鑄態(tài)；(b)冷軋至50%，表面出現(xiàn)微小裂紋，主要是之前的凝固缺陷造成的；(c) 冷軋至75%；(d) 冷軋至91%，表面裂紋消失。在冷軋過(guò)程中，隨著壓下量的增加，在圖(e-h)(壓下量10-60%)中，出現(xiàn)了形變孿晶以及顯微帶和切變帶（切變帶出現(xiàn)時(shí)壓下量為80%，見(jiàn)支持材料），而當(dāng)壓下量達(dá)到91%時(shí)，出現(xiàn)了高密度的位錯(cuò)以及層狀結(jié)構(gòu)。

圖2 Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅Zr₅難熔高熵合金在冷軋過(guò)程中表面的變化以及相應(yīng)的有限元模型，顯示出了獨(dú)特的過(guò)程自愈現(xiàn)象。

圖3 在壓縮過(guò)程中結(jié)構(gòu)變化的計(jì)算模擬。(a) Nb₆₀Ta₂₅Ti₁₅基底沿著[110]方向進(jìn)行形變量為10%, 20%, 30%的壓縮。從左到右為，孿晶形核，增殖，以及生長(zhǎng)。(b) Nb₆₀Ta₂₅Ti₁₅基底沿著[001]方向進(jìn)行壓縮。可以看到孿晶的形核與生長(zhǎng)。(c) 純Nb沿著[001]方向壓縮，形變由位錯(cuò)滑移占據(jù)主導(dǎo)。

圖4 異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)（細(xì)晶+超細(xì)晶）的Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅Zr₅難熔高熵合金以及相關(guān)的元素分布。冷軋90%后，在900°C下退火1個(gè)小時(shí)，鑄態(tài)時(shí)的偏析完全消失，這是由于元素沿著位錯(cuò)快速擴(kuò)散，在較低溫度和較短時(shí)間內(nèi)就可達(dá)到均勻。而相同基底的一組合金，在1500°C和1300°C的條件下加熱12小時(shí)，枝晶和元素偏析依舊存在（見(jiàn)支持材料）。由于具備優(yōu)異的成形性，通過(guò)后續(xù)的熱處理，可以調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)，比如細(xì)晶結(jié)構(gòu)和粗晶結(jié)構(gòu)。

圖5 異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)（HL）的Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅Zr₅難熔高熵合金在室溫和高溫條件下的力學(xué)性能。(a) 異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)的合金在室溫和高溫條件下(800-1100°C)的拉伸真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，顯示出了優(yōu)異的力學(xué)性能。在室溫下與細(xì)晶結(jié)構(gòu)(FG)和粗晶結(jié)構(gòu)(CG)的樣品相比，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的樣品表現(xiàn)出了更好的拉伸性能。這主要得益于非均勻形變引起的強(qiáng)化。(b,c) 室溫下拉伸后異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品的斷裂表面，顯示了韌性斷裂。