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香港城大、松山湖材料實驗室《Scripta Materialia》：基于非傳統氧化物摻雜效應設計高強、高韌、輕質中高熵合金

2024-05-16 14:42:05 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

研究背景：高熵或中熵合金（M/HEAs）由于其潛在的突出機械性能、高耐腐蝕性和良好的熱穩定性，在材料科學領域引起了廣泛的關注。例如，FeCoNiCr基M/HEAs可以在低溫或高溫環境下表現出較好的強度。然而，由于其較高的質量密度（通常高于8.0g/cm³），這種類型的M/HEA仍然具有一定的局限性，嚴重限制了其實際應用。類似的，Ti30Zr30Hf16Nb24 HEA表現出約800 MPa的相對較高的屈服強度和約17%的均勻應變。然而，它的質量密度高達9.4 g/cm³。相比之下，Al17Ni34Ti17V32合金的密度相對較低，僅為6.2 g/cm³，且在室溫和高溫下都具有良好的抗壓強度。然而，迄今為止，其拉伸性能仍不清楚。如何在輕質M/HEA的延展性和強度之間實現令人滿意的強韌性結合仍然是一個艱巨的挑戰。綜上所述，開發具有低質量密度的高性能輕質M/HEA是提高能源利用效率的當務之急，尤其是在航空航天和汽車等行業。

引入陶瓷顆粒可以釘扎晶界和位錯，已被證明是提高合金強度的有效策略之一。例如，Taha等人開發了一種新型的銅基合金，該合金通過粉末冶金以ZrO2顆粒作為第二相進行增強，獲得了55～79MPa的壓縮屈服強度和0.47～0.35%的塑性應變。此外，將Al2O3顆粒作為第二相引入HfNbTaTiZrV HEA，其壓縮屈服強度從1.3 GPa提高到2.7 GPa，但塑性應變從32%降低到了4%。由此可見，在合金中引入陶瓷顆粒通常會帶來一個重大問題，即導致合金變脆。一方面，大多數陶瓷顆粒本質上是堅硬和脆性的，這使得它們在外部負載時容易斷裂。另一方面，合金基體和陶瓷相之間較差的塑性相容性和較弱的結合，導致沿其界面嚴重的局部應力集中和裂紋形成，使延展性較差的合金顯著脆化。

為了解決這一關鍵問題，香港城市大學和松山湖材料實驗室聯合領導的研究團隊提出了一種消除陶瓷-金屬材料界面的策略，通過不尋常的氧化物摻雜效應成功提高了輕質MEA的強度和延展性。研究中采用電弧熔煉技術進行了ZrO2摻雜工藝。與粉末冶金加工中陶瓷顆粒的典型觀察不同，這里摻雜的ZrO2顆粒完全溶解在MEA中。ZrO2顆粒的存在深刻影響了沉淀行為和晶粒尺寸，最終影響了輕質MEA的強度和延展性。基于多尺度測試和分析，闡明了合金力學性能的強韌化機制。這些發現將有助于更好地理解和優化輕質MEA的微觀結構和機械性能，從而為其在航空航天和汽車工業等各種應用中的應用奠定一定的基礎。相關成果以“Developing strong-yet-ductile light-weight medium-entropy alloy via the unusual oxide doping effect”為題發表在國際學術期刊《Scripta Materialia》上。論文通訊作者為香港城市大學楊濤教授，第一作者為Xia Li,共同通訊作者為松山湖材料實驗室柯海波教授。其他合作者包括遼寧材料實驗室Shaofei Liu教授，松山湖材料實驗室汪衛華院士等。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116141