具有體心立方(BCC)結構的高熵合金(RHEAs)具有優異的抗軟化性能，是一種很有前途的高溫材料。然而，大多數能夠承受1400℃軟化的RHEAs在室溫下通常會出現脆性，這導致其可加工性較差，限制了其作為高溫結構材料的應用。例如，雖然MoNbTaW RHEA在1400℃時具有421 MPa的高強度，但在室溫下表現為脆性斷裂。HfNbTaTiZr密度低，在室溫下表現出良好的延展性，使其成為一種具有競爭力的高溫材料。然而，HfNbTaTiZr RHEA室溫和高溫強度相對較低，限制了其應用。為了克服這種HEA系統的缺點，人們進行了一些研究。在合金基體中引入有序氧配合物后，TiZrHfNb HEA的室溫抗拉強度從776 MPa提高到1110 MPa。我們之前的工作表明，Al₂O₃顆粒的加入顯著提高了HfNbTaTiZrV的強度，在室溫下達到2700 MPa，在1000℃下達到693 MPa。然而，這種Al₂O₃增強的HfNbTaTiZrV在室溫下的塑性應變僅為6%。氧化物與基體之間的非相干界面不僅降低了基體的延展性，而且限制了Al₂O₃顆粒的摻雜量。因此，需要開發一種新的策略來設計低密度的RHEA，以在室溫和高溫下實現高強度和延展性的平衡。

近年來的研究表明，雙相材料比單相材料在克服強度-延性權衡方面更有優勢。層狀共晶合金AlCoCrFeNi_2.1由軟面心立方相(FCC)和硬B₂相交替組成，表現出顯著的強度-延性組合，其極限抗拉強度為1.2 GPa，延伸率為12%。通過變形熱處理，在CoNiV中熵合金中沿變形剪切帶形成了與BCC基體具有相干界面的L2₁相，使合金具有超強韌性。然而，由于層錯能高和固有的脆性，上述提高FCC HEAs力學性能的方法不適用于BCC RHEAs。一些研究已經注意到在RHEAs中添加陶瓷相。碳化物和氮化物等陶瓷顆粒具有高熔點和強度的內在特征，適合超高溫應用。可作為候選材料引入RHEAs中，提高極端條件下的高溫軟化性能。然而，陶瓷顆粒與基體界面的不協調可能是裂紋萌生的原因。

進一步提高強度和克服嚴重脆性的關鍵是陶瓷相的含量和摻雜方法。一種可行的方法是促進與基體具有相干或半相干取向關系的二次相的原位析出，這可以有效降低析出相與基體之間的彈性失配能，從而由于低界面能而增加位錯相互作用。例如，在NbMoTaW RHEA中引入大量C元素，原位制備了具有層狀結構的雙相Re_0.5MoNbW(TaC)_0.5高熵復合材料，碳化物與基體[15]具有半相干界面。結合HEAs和碳化物的優點，Re_0.5MoNbW(TaC)_0.5在室溫下具有1340 MPa的屈服強度和2347 MPa的極限抗壓強度，塑性為8.90%。在Cx(NbMoTaW) _100-x合金中進行了類似的研究，NbMoTaW合金的強度和延展性由于碳化物相的析出而得到了顯著的提高。氮化物的熔點與碳化物的熔點相似。目前對氮化物增強HEAs的研究主要是微量添加帶來的間隙強化，其效果與C元素相同。然而，高氮化相含量對電弧熔煉法制備RHEAs的影響尚未見報道。設計具有相干氮化物相的雙相RHEA是開發具有優異高溫軟化性能、室溫強度和延展性的材料的一種有前途的方法。

在此，東南大學的沈寶龍教授團隊設計了一種氮化增強HfNbTaTiV合金，該合金可以通過在氮化相與基體之間形成半相干界面進行強化。該合金在室溫下表現出高強度和大延展性，以及優異的高溫強度。本文對此進行了詳細的微觀結構研究，以揭示力學行為的起源。FCC氮化相與BCC相的相干界面關系為設計高強度延性HEAs提供了依據。相關研究成果以題“Nitride-reinforced HfNbTaTiV high-entropy alloy with excellent room and elevated-temperature mechanical properties”發表在Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223000555

圖1 相和微觀結構表征。(a) (HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金的XRD圖譜，(b)計算得到的平衡相圖，(c, d)鑄態HfNbTaTiV和(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金的SEM-BSE圖像。

圖2 鑄態HfNbTaTiV和(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金的EBSD圖像。(a, b)相位圖，(c, d)核平均方向誤差(KAM)圖。 

圖3 鑄態(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金組織。

(a)亮場TEM圖像，(b)對應的(a) EDX圖，(c) HRTEM圖像和(d) BCC和FCC1相的SAED圖，(e) (c)白方的IFFT圖像顯示了BCC和FCC1相之間的界面。

圖4 鑄態(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金的STEM圖像。

(a) HAADF-STEM， (b) (a)紅色矩形的HRTEM圖像為BCC和FCC2相的界面，(c) (b)的FFT圖，(d)水平法向應變的原子應變分布圖。

圖5 機械性能。

(a)室溫下HfNbTaTiV和(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀在不同溫度下的壓縮工程應力-應變曲線，(b)室溫下單相或雙相RHEAs的壓縮特性概述，(c)室溫下(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金的典型載荷-位移曲線顯示彈入事件，(d)納米壓痕試驗獲得的硬度和彈性模量。

圖6 (HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金在屈服應變條件下1400℃壓縮后的顯微組織。

(a) XRD圖譜，(b) SEM圖像，(c)晶粒取向差分布直方圖，(d) KAM圖。

圖7 (HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金室溫變形過程中位錯的STEM觀察

(a) 2%應變，(b) 6%應變，(c) 10%應變，(d) (c)中黃色矩形的放大HAADF-STEM。

圖8 (HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金裂紋的典型掃描電鏡圖像。

(a)室溫壓縮，斷裂應變;(b) 1400℃壓縮，30%應變，黃色箭頭和藍色箭頭分別突出顯示多條微裂紋，主要包括環形和彎曲的微裂紋。(C) (HfNbTaTiV)₉₀N₁₀中位錯和微裂紋起裂行為的簡圖。

綜上所述，沈寶龍教授團隊采用電弧熔融法，制備了在室溫和高溫下具有超高強度和延展性的氮化增強HfNbTaTiV RHEA。(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀由BCC基體和FCC氮化物相組成。BCC相和FCC相之間的半相干界面促進了位錯的增殖和螺桿位錯的交叉滑移，從而降低了應力集中，提供了強應變硬化。氮化相顯著提高了耐高溫軟化性能。因此，(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀在室溫下克服了強度-塑性的權衡，表現出2716 MPa的超高屈服強度和10%的大塑性。合金在1200℃時的屈服強度為639 MPa，在1400℃時的屈服強度為279 MPa。高溫壓縮后無相變，表明其具有良好的高溫穩定性。(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀采用多相非均相結構，實現了高熔點硬氮化物相與高熵金屬相的協調變形。低密度合金在室溫下表現出較高的強度和較大的延展性，為解決室溫下的脆性提供了一種新的策略。