第一作者：崔丁聰；通訊作者：王錦程，何峰

通訊單位：西北工業(yè)大學(xué)

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.01.038

01 全文速覽

本文瞄準(zhǔn)先進(jìn)金屬結(jié)構(gòu)材料對(duì)于強(qiáng)塑性統(tǒng)一的迫切需求，設(shè)計(jì)出一種新型難熔高熵合金-Ti41V27Hf15Nb15O2，該合金在已報(bào)道的高熵合金中表現(xiàn)出極高的拉伸屈服強(qiáng)度(~1.5 GPa) 和良好的延伸率(~12%)組合，有望突破難熔高熵合金的性能桎梏與應(yīng)用瓶頸。

02 研究背景

難熔高熵合金(RHEAs)具有高熔點(diǎn)、優(yōu)異的高溫強(qiáng)度等特點(diǎn)，在航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的高溫應(yīng)用前景。但大多數(shù)RHEAs室溫塑性差，導(dǎo)致其加工成型與工程化應(yīng)用舉步維艱。

03 本文亮點(diǎn)

考慮到RHEAs的組成元素對(duì)氧原子非常敏感，在制備過(guò)程中氧原子的攝入不可避免，且往往會(huì)惡化其力學(xué)性能，是否可以變“害”為“寶”的呢？本文先探明了氧元素對(duì)于RHEA子系二元合金體系的影響機(jī)制，表明氧摻雜可以改變其凝固行為與相穩(wěn)定性。基于此，以具有塑性的TiVHfNb系RHEAs作為模型合金，通過(guò)不同含量的氧摻雜影響其相穩(wěn)定性，達(dá)到調(diào)控凝固組織的目的。

04 圖文解析

研究中發(fā)現(xiàn)2 at.%的氧摻雜可以誘導(dǎo)TiVHfNb RHEA產(chǎn)生納米級(jí)的調(diào)幅分解雙相。如圖1的TEM圖像所示，Ti41V27Hf15Nb15O2合金形成了納米級(jí)的條狀析出物，衍射分析確定不同襯度相(基體β和析出物β*)都屬于BCC相，表現(xiàn)出調(diào)幅分解組織的典型特征。幾何相位分析發(fā)現(xiàn)β*相與β相的晶格錯(cuò)配導(dǎo)致了不均勻的局部應(yīng)變分布。

圖1 氧摻雜前后TiVHfNb難熔高熵合金的納觀組織

圖2 氧摻雜TiVHfNb難熔高熵合金的熱力學(xué)相圖與其調(diào)幅分解溫度隨O含量與Ti含量的變化曲線

為了探究TiVHfNb難熔高熵合金調(diào)幅分解的熱力學(xué)本質(zhì)，通過(guò)Thermocalc軟件分析了氧對(duì)TiVHfNb合金調(diào)幅分解溫度(Tsp)的影響，見(jiàn)圖2。隨著氧含量的增加，BCC相對(duì)應(yīng)的Tsp顯著增加，2 at% 氧摻雜即可使Tsp提高~545 K，極大拓展了合金的調(diào)幅區(qū)間，促進(jìn)了調(diào)幅分解的發(fā)生。

圖3 調(diào)幅分解型TiVHfNb系難熔高熵合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線及力學(xué)性能對(duì)比

測(cè)試氧摻雜前后TiVHfNb難熔高熵合金的室溫拉伸性能，以探究調(diào)幅結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化效果。如圖3所示，Ti41V27Hf16Nb16基體合金的延伸率為~25%，屈服強(qiáng)度為~953 MPa。O摻雜后將屈服強(qiáng)度顯著提高到~1517 MPa，結(jié)合晶格錯(cuò)配強(qiáng)化和模量增幅強(qiáng)化的調(diào)幅強(qiáng)化是合金強(qiáng)度大幅提高的原因(強(qiáng)化機(jī)制分析請(qǐng)見(jiàn)文獻(xiàn))。圖4所示為難熔高熵合金氧摻雜前后的位錯(cuò)組態(tài)，平面滑移向波狀滑移的轉(zhuǎn)變保證了Ti41V27Hf15Nb15O2在超高強(qiáng)度下仍具有良好的延伸率(~12%)。

圖4 氧摻雜前后TiVHfNb難熔高熵合金的變形與斷裂機(jī)制

圖5 基于原子對(duì)混合焓值設(shè)計(jì)調(diào)幅型難熔高熵合金的策略示意圖

最后，作者探討了不同原子對(duì)的混合焓值對(duì)于難熔高熵合金調(diào)幅分解的影響，提出采用與難熔金屬元素混合焓值高的N，Al等元素可以有效調(diào)控調(diào)幅分解組織(圖5)，此策略有望促進(jìn)難熔高熵合金作為超高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展與應(yīng)用。

05 結(jié)論展望

研究發(fā)現(xiàn)2 at.%的氧摻雜可以誘導(dǎo)TiVHfNb RHEA產(chǎn)生納米級(jí)的調(diào)幅分解雙相，并借助于熱力學(xué)計(jì)算闡明了調(diào)幅分解的來(lái)源；結(jié)合X射線衍射、透射電子顯微鏡(TEM)等技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)韌化機(jī)制的分析，表明調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)助力實(shí)現(xiàn)了超強(qiáng)高韌RHEA。最后，作者提出了基于混合焓值的調(diào)幅型RHEA設(shè)計(jì)策略，為新型RHEA的研發(fā)提供了新的見(jiàn)解。

06 課題組簡(jiǎn)介

西北工業(yè)大學(xué)材料微觀組織計(jì)算與合金設(shè)計(jì)課題組，團(tuán)隊(duì)由王錦程教授負(fù)責(zé)、現(xiàn)有“千人計(jì)劃”首席專家 1 人、國(guó)家級(jí)青年人才 1 人，教授 3 人、副教授3 人。課題組以凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的學(xué)科發(fā)展為依托，長(zhǎng)期開(kāi)展材料微觀組織計(jì)算及合金設(shè)計(jì)方面的科研工作，主要具體研究方向包括：凝固過(guò)程及其微觀組織數(shù)值模擬、納米多晶組織演化及其變形機(jī)制以及高性能金屬材料及合金設(shè)計(jì)等。現(xiàn)有在讀博士研究生 10 余人、碩士研究生 30 余人。課題組近五年來(lái)先后承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、973 計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)防預(yù)研、航空基金等國(guó)家及省部級(jí)科研項(xiàng)目 20 余項(xiàng)。獲陜西省科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)，陜西省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng) 2 項(xiàng)，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利 8 項(xiàng)。近年來(lái)，課題組共發(fā)表 SCI 收錄學(xué)術(shù)論文 120 余篇，其中大部分發(fā)表在 Nature Communications, Acta Mater，International Journal of Plasticity，Scripta Mater，PRE，J Cryst Growth 等本研究領(lǐng)域頂級(jí)期刊上。

多年來(lái)，課題組以培養(yǎng)創(chuàng)造性人才為已任，培養(yǎng)了多名優(yōu)秀畢業(yè)生，其中包括多名陜西省優(yōu)秀畢業(yè)生、洪堡獎(jiǎng)學(xué)金獲得者、香江學(xué)者等。組內(nèi)會(huì)定期開(kāi)展傳幫帶、聚餐與團(tuán)建活動(dòng)，師生同門(mén)之間關(guān)系融洽。同時(shí)，課題組非常注重國(guó)際與國(guó)內(nèi)交流與合作，與日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)(NIMS)、日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)、德國(guó)卡爾斯魯厄理工大學(xué)(KIT)、德國(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)(DUT)、韓國(guó)浦項(xiàng)理工大學(xué)(POSTECH)、香港城市大學(xué)等國(guó)際知名研究機(jī)構(gòu)保持密切的國(guó)際合作關(guān)系。支持鼓勵(lì)學(xué)生參加國(guó)際會(huì)議、與國(guó)外大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)及國(guó)外短期學(xué)術(shù)訪問(wèn)等國(guó)際學(xué)術(shù)交流。

因?qū)W科發(fā)展和研究需要，本組長(zhǎng)期招收博士后和科研助理。崗位要求與待遇詳見(jiàn)課題組網(wǎng)站鏈接(http://www.jchwang.com)。有意者請(qǐng)按要求把應(yīng)聘材料發(fā)送至何峰老師郵箱：fenghe1991@nwpu.edu.cn郵件標(biāo)題以"應(yīng)聘博士后/科研助理+本人姓名"命名，本招聘長(zhǎng)期有效，歡迎共襄盛舉！

07 引用本文

Dingcong Cui, YuyuZhang, LinxiangLiu,Yue Li, Lei Wang, Zhijun Wang, Junjie Li, Jincheng Wang*, Feng He*, Oxygen-assisted spinodal structure achieves 1.5 GPa yield strength in a ductile refractory high-entropy alloy, J. Mater. Sci. Technol. 141 (2023) 193-198.