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東南大學沈寶龍課題組《JMST》：Al2O3增強難熔高熵合金高溫強度

2023-03-21 15:28:53 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

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本文設計制備了Al2O3增強HfNbTaTiZrV難熔高熵合金，該合金具有優異高溫強度與相穩定性。4 vol.% Al2O3的添加可顯著提高屈服強度，800 °C溫度下屈服強度達1392 MPa，1000 °C高溫下仍具有693 MPa的屈服強度。Al2O3的添加實現了強化機制協同作用，間隙強化作用隨溫度升高而增強，為高溫條件下主要強化機制。該研究結果促進了氧化物增強難熔高熵合金的探索與制備，有望為設計開發新型多機制共同強化作用高溫高強高熵合金提供一種新思路。

研究背景

難熔高熵合金是超高溫環境服役的理想材料，但大多數難熔高熵合金室溫塑性小，高溫下相穩定性差。HfNbTaTiZr是目前研究最深入的難熔高熵合金之一，其密度低、室溫塑性大，但室溫下屈服強度僅為929 MPa，800 °C溫度下壓縮強度只有535 MPa。此外，HfNbTaTiZr合金在高溫下相穩定性差，易發生相分解，在700 °C退火2.5 h后由單一BCC相分解為富NbTa的BCC相和富ZrHf的HCP相，嚴重限制了其高溫應用。因此，提高強度和相穩定性是實現HfNbTaTiZr合金高溫應用的關鍵。

本文亮點

（1）采用Al2O3增強HfNbTaTiZrV難熔高熵合金，實現多種強化機制共同作用提高合金高溫強度與相穩定性。

（2）通過量化多種強化機制對合金強度的貢獻，揭示氧原子引起的間隙強化是高溫條件下的主要強化機制。

（3）為輕質難熔高熵合金獲得寬溫域優異力學性能提供設計思路。

圖文解析

圖1 工程應力-應變曲線：（a）室溫壓縮，（b）4 vol.% Al2O3合金高溫壓縮。Al2O3的添加顯著提高了合金強度，合金具有高強度的同時保持一定的塑性變形能力。4 vol.% Al2O3合金室溫下屈服強度為2700 MPa、塑性應變為6%，800 °C壓縮屈服強度為1392 MPa，1000 °C高溫下仍保持693 MPa的高強度。

圖2 Al2O3添加對合金晶粒尺寸的影響。隨Al2O3含量的增加，合金晶粒尺寸從80減小至13 μm，具有顯著的細晶強化作用。

圖3 室溫下變形量為5%時微觀結構分析：（a）HfNbTaTiZrV合金，（b）圖（a）的SAED，（c）4 vol.% Al2O3合金，（d）圖（c）的SAED。添加4 vol.% Al2O3后，合金中的第二相在變形中釘扎并阻礙位錯運動。

圖4 晶格畸變分析：（a）和（b）分別為HfNbTaTiZrV和4 vol.% Al2O3合金的HRTEM圖，（c）和（d）分別為（a）和（b）的IFFT圖，（e）和（f）分別為HfNbTaTiZrV和4vol.% Al2O3合金的應變分布圖。添加4 vol.% Al2O3后，合金中氧原子間隙固溶誘導嚴重晶格畸變，出現高密度晶格錯配。

圖5 4 vol.% Al2O3合金高溫處理后的微觀結構：（a）熱處理后的XRD圖，（b）800 °C壓縮測試后的TEM圖，（c）800 °C退火3 h后的TEM圖，（d）800 °C壓縮后的EBSD圖，（e）不同溫度變形后的{110}BCC極圖。高溫處理后未發生相分解，表現出優異的相穩定性。

圖6 4vol.% Al2O3合金與已報道的難熔高熵合金性能對比。4vol.% Al2O3合金兼具低密度和優異抗高溫軟化特性。

結論展望

本文在HfNbTaTiZrV難熔高熵合金中適量添加Al2O3，顯著提高合金抗高溫軟化性能，實現了多種強化機制的協同作用。特別是氧原子的間隙固溶引入了較大晶格畸變，顯示出優異間隙強化效果，是合金抗高溫軟化的主要機制。本文證明了通過外加氧化物顆粒提高難熔高熵合金高溫力學性能和相穩定性的可行性。

作者簡介

東南大學沈寶龍教授課題組長期從事鐵磁性非晶納米晶合金結構調控與磁學力學性能研究，近期開展鐵磁性非晶與高熵合金電解水制氫、超高溫熵控合金與陶瓷的制備與力學性能研究。沈寶龍教授先后承擔國家863計劃項目（2項）、國家自然科學基金項目（面上、重點（2項）、杰青）、國家重點研發計劃項目、軍委科技委項目（前沿科技創新項目、基礎加強計劃重點基礎研究項目課題）、國防科工局軍品配套科研項目課題、中科院項目（重要方向性項目、科研裝備研制計劃項目）、浙江省項目（磁性材料重點創新團隊、磁性材料及其應用技術重點實驗室建設）、江蘇省項目（科技成果轉化專項資金項目、重點研發計劃項目（產業前瞻與關鍵核心技術））等多個重要科研項目。在Nature Mater., Advanced Mater., Mater. Today, Nano Lett., Small, Acta Mater., J. Mater. Chem. A, Nano Res., ACS Materials Lett., J. Mater. Sci. Technol., Corros. Sci., Appl. Phys. Lett.等刊物發表學術論文300余篇。獲授權中國發明專利27件、日本發明專利7件，美國發明專利1件。

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