人們不斷尋找新的高溫合金，一些基于難熔元素(Cr-Mo-Nb-Ta-V-W-Hf-Ti-Zr)的新型體心立方(BCC)隨機(jī)多組分“高熵合金(HEAs)”在高溫下具有特殊的強(qiáng)度，但其物理來(lái)源尚不清楚。

在此，來(lái)自荷蘭格羅寧根大學(xué)的Francesco Maresca&美國(guó)田納西大學(xué)的Peter K. Liaw 等研究者，通過(guò)集成原位中子衍射(ND)、高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)和最新理論表明，NbTaTiV合金和高強(qiáng)度/低密度CrMoNbV合金的高強(qiáng)度歸因于刃位錯(cuò)。相關(guān)論文以題為“Strength can be controlled by edge dislocations in refractory high-entropy alloys”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-021-25807

為了實(shí)現(xiàn)減少碳排放和提高能源效率這一緊迫的社會(huì)目標(biāo)，研究者們正在致力于新材料的發(fā)展。一種途徑是用于低溫(T)應(yīng)用的輕質(zhì)材料(如Mg、Al和增強(qiáng)塑料)，如運(yùn)輸，而另一種途徑是高溫(高T)耐損傷材料，以提高燃燒效率(高溫合金和TiAl)。新型高熵合金(HEAs)是一種多組分的單相晶體材料，它隨機(jī)占據(jù)晶格的原子位置。HEAs具有顯著的屈服強(qiáng)度、延展性和/或斷裂韌性。其中，兩種體心立方(BCC) HEAs, MoNbTaW和MoNbTaVW，具有在遠(yuǎn)高于現(xiàn)有高溫合金的溫度下保持高強(qiáng)度(圖1)，但實(shí)現(xiàn)這種性能的機(jī)制尚未完善。最近的TEM研究表明MoNbTi合金的位錯(cuò)變形超出了通常假設(shè)的(110)<111>a/2對(duì)合金的發(fā)現(xiàn)鮮有建議的螺位錯(cuò)。

圖1 合金強(qiáng)度VS溫度。

在此，研究者發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是新近的NbTaTiV還是新的CrMoNbVHEAs的高強(qiáng)度和高T強(qiáng)度保留(圖1)都是由刃位錯(cuò)控制的。該發(fā)現(xiàn)是出乎意料的，因?yàn)槁菸诲e(cuò)一直被廣泛理解為在BCC元素金屬和稀合金中控制塑性流動(dòng)，盡管在一些低/中濃度合金中有提示刃位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)可能被溶質(zhì)阻礙。與這種稀合金不同，研究者最近的理論表明，某些復(fù)雜HEAs中的刃位錯(cuò)在遇到非常大的能壘時(shí)可以進(jìn)行滑動(dòng)，因此，能夠在高溫下保持高強(qiáng)度。因此，雖然本文報(bào)道的新型CrMoNbV合金在T = 1173 K時(shí)具有迄今為止最高的保留強(qiáng)度，研究者利用這種洞察力和理論，對(duì)107個(gè)BCC HEAs進(jìn)行了計(jì)算引導(dǎo)搜索，并確定了106個(gè)可能的超高強(qiáng)度高T合金成分，以供未來(lái)探索。

圖2 中子衍射和透射電鏡實(shí)驗(yàn)表明，NbTaTiV中刃位錯(cuò)占主導(dǎo)地位。

圖3 中子衍射和透射電鏡實(shí)驗(yàn)表明，CrMoNbV中刃位錯(cuò)占主導(dǎo)地位。

圖4 BCC HEAs中屈服強(qiáng)度的理論預(yù)測(cè)。

圖4b和c顯示了約6,000,000合金，在T = 1300k時(shí)的估計(jì)強(qiáng)度超過(guò)1GPa，以及約1,300,000超過(guò)2GPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何現(xiàn)有合金的強(qiáng)度。在1300 K時(shí)，許多合金也具有強(qiáng)度/密度>0.25GPa g/cm3，這是迄今為止室溫下達(dá)到的最高水平。研究者提出了兩種超高強(qiáng)度/高t合金Mo5W2.5CrZrHf和Mo2.5W2.5CrZrHf用于制備和測(cè)試，在1300 K時(shí)的預(yù)測(cè)強(qiáng)度為~3 GPa。

綜上所述，當(dāng)前的工作受到最新理論的推動(dòng)，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)技術(shù)證明，刃位錯(cuò)可以控制BCC高熵合金的強(qiáng)度。這一發(fā)現(xiàn)支持使用基于刃位錯(cuò)強(qiáng)化的力學(xué)理論，在BCC合金中尋找新的、強(qiáng)的合金。研究結(jié)果表明，該理論是在龐大的HEAs組合空間中進(jìn)行組合搜索的有效可行方法。