高熵合金的不斷發展為結構和功能材料的開發提供了新的機會。耐火難熔高熵合金(RHEAs)是高熵合金家族的一個重要子集，自首次單相體心立方(bcc)結構的第一個實例被發現以后，引起了科學家越來越多的興趣。高熵難熔合金(RHEA)的高溫屈服強度可以很好的保存，具有較高的穩定性。但是目前，難熔高熵合金的開發遇到了一些瓶頸：（1）大多數報道的難熔高熵合金在環境溫度下表現出極低的拉伸延展性；（2）由于難熔元素擴散動力學的遲滯，微觀結構的均勻化很受挑戰；（3）在中間溫度下抗氧化性能不足嚴重阻礙了熱加工處理的應用。由于這些挑戰和缺乏足夠復雜的熱力學-動力學研究基礎，RHEA的應用潛能還沒有被完全開發。本工作通過應用cantor的方法，利用耐火元素之間的自然混合特性來最大限度地減少鑄件偏析，從而開發出一種RHEA，具有高溫強度以及塑性和強度的理想組合。

近日，來自麻省理工學院的Cemal Cem Tasan教授利用難熔元素之間的自然混合特性，設計了一種Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄難熔高熵合金，該合金在鑄態下具有>20%的拉伸延展性，在高溫下表現出優異的物理化學穩定性。在多個長度尺度上對潛在變形機制的研究表明，一種罕見的β′相在這種合金的力學響應中起著主導性的作用，其極大的提高了合金的加工硬化能力，還具有防止元素快速擴散的能力。這些結果揭示了自然混合傾向在加速高熵合金發現方面的有效性。相關成果以“Natural-mixing guided design of refractory high-entropy alloys with as-cast tensile ductility”為題發表在國際材料頂刊Nature Materilas期刊上。

（1）巧妙的利用難熔元素之間的自然混合特性，設計出一種Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄難熔高熵合金；

（2）發現一種罕見的β′相，具有優異的高溫物理-化學穩定性；

圖1 耐火元素成分搜索策略；a) RHEA的鑄態微觀組織，由九種相同原子比例難熔元素組成。EDS結果顯示了四個相偏析區域的存在，分別富集Ti、Mo、Cr和Hf；b) 四種合金的鑄態顯微組織；c) 再結晶Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄ RHEA的微觀結構表征，其組成繼承自a中最大的單相區(記為Ti-V-Nb-Hf) ；© 2022 Springer Nature

圖2 設計的Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄ RHEA的力學行為；a)室溫下單軸拉伸性能。Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄ RHEA在鑄態和均質-再結晶處理后均表現出優異強度-塑性組合；插圖顯示了與文獻相比，目前兩個RHEA的比屈服強度(σys/ρ)和斷裂伸長率(εf)之間的理想協同作用的Ashby圖；b)應變硬化率與局部應變剖面圖。插圖顯示了兩個RHEA在縮頸起始點(光環圈)和斷裂前的局部應變剖面。© 2022 Springer Nature

圖3 Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄ RHEA的變形機制研究；a)局部應變水平為~10%時表面臺階的形態(見黃色箭頭)；b) ECCI和TEM表征位錯構型。左圖:低倍率ECCI顯微照片，顯示在局部應變水平為~3.0%時存在溝道帶。右圖:最上面一排的高倍ECCI顯微照片顯示了彎曲位錯結構(黃色箭頭突出顯示)，表明納米尺度異質性的存在，底部的TEM BF圖像驗證了ECCI觀測結果；c)定量評估由于溝道帶形成的對比和局部取向差。d)EBSD IPF圖、相圖和GROD圖表明，位錯塑性變形發生在溝道帶內，但沒有機械孿生或相變的特征。© 2022 Springer Nature

圖4 Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄ RHEA結構異質性的原子尺度表征。a) HRTEM顯微照片與相應的FFT模式表明存在bct結構的納米級沉淀物；從實測的FFT圖形和模擬的FFT圖形性特征表明，納米沉淀物的晶體結構為c軸收縮的bct結構，其晶格常數a_β0'與基體bcc晶格相同；b) APT圖。等成分面證明了成分的非均質性。c)沿著b中選定的粒子獲得的近似值，顯示bcc矩陣和bct沉淀物之間的元素分配特征。d)左邊為納米沉淀物結構變形機理的定性說明。右邊顯示的是一系列扭曲區域的HRTEM顯微照片。隨著電子束退火時間的延長，該區域經歷了結構恢復，逐漸改善了局部晶格周期性，支持了所提出的析出-結構畸變機制。e) TEM BF(接近雙光束條件)和從變形試樣中拍攝的相應DF顯微照片。© 2022 Springer Nature

道法自然，巧妙的利用各元素的特性，采用自然法則開發高熵合金，是一種非常有前景的結構和功能材料發展策略。

論文詳情：

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0750-4