難熔多主元合金（難熔MPEA或RMPEA）由于其在高溫下的高強度，近年來引起了人們的廣泛關注。MPEA設計背離了傳統的合金結構設計智慧，從歷史上看，結構合金含有60 - 70原子百分比(at.%)或更多的單一元素，僅為特定性能優化而添加少量其他元素。然而，MPEA通常是幾乎等原子的，因此沒有基體合金元素。這種新穎的合金設計方法提供了一個廣闊的探索空間，超越了主要的等原子成分。RMPEA的擬議工業應用包括核反應堆系統和各種推進系統：飛機發動機組件、火箭和高超聲速飛機。由于在這些應用環境中的設計推動了更高的操作溫度和機械要求，因此需要對于高熔化溫度的候選材料同時提供強度和損傷容限。

固溶體HfNbTaTiZr合金于2011年首次開發，隨后因其大量的室溫延展性而引起了極大的興趣，這對于在極端環境中使用的組件避免災難性故障至關重要。RMPEA的延展性是重要的，因為它可以提高部件制造的容易程度，例如通過冷軋或熱軋來生產定制的微結構。其他加工路徑，如擠壓或3D打印也需要一定程度的拉伸延展性。此外，HfNbTaTiZr合金具有強度和拉伸延展性的理想組合，盡管與其他體心立方(BCC)金屬類似，它會隨著溫度的升高而急劇軟化。

HfNbTaTiZr是HfNbTaTiVZrMPE家族的一員，與含Cr、Mo和W的材料相比，HfNbTaTiZr在室溫下始終表現出良好的拉伸延展性。盡管拉伸延展性是RMPEA合金設計的一個強大動機，但很少有關于RMPEA的拉伸測試的報道，而且這些材料在相關溫度范圍內的拉伸行為尚不清楚。最新的RMPEA力學性能匯編，包括截至2020年出版年度的記錄，報告了20種獨特成分的400多個壓縮性能記錄和不到40個拉伸記錄。此外，除了研究人員報道的HfNbTaTiZr在300 - 550℃溫度下的拉伸性能外，RMPEA的拉伸性能僅在室溫及以下。雖然最近對RMPEA的研究主要集中在室溫延展性上，但商用飛機部件在運行期間可以經歷從54℃到1650℃的廣泛溫度范圍，了解力學性能如何隨溫度變化對指導這些材料的未來發展至關重要。

先前的研究發現，在HfNbTaTiZr中，在高溫下可能會演化出額外的相，在800℃下，在不同的暴露時間(256 h ，100 h和24 h)后，以各種晶界沉淀產物的形式報告了相分離;BCC(基質)+BCC(沉淀)，BCC(基質)+HCP(沉淀)，BCC(基質)+BCC(沉淀)。然而，報道的這些晶界沉淀物的晶體結構差異及其對HfNbTaTiZr拉伸力學行為的影響尚不完全清楚。

HfNbTaTiZr作為延展性RMPEA的典范材料，能夠研究RMPEA的溫度依賴性行為，同時繼續探索這些材料的更廣闊的組成空間。加州大學圣巴巴拉分校材料系Leah H.Mills研究團隊考察了具有重結晶微觀結構和低間隙含量的熱機械加工HfNbTaTiZr在室溫、800 °C和1200°C下的拉伸行為。在事后通過掃描電子顯微鏡（SEM）和電子背散射衍射（EBSD）檢查斷裂模式。表征了高溫變形行為，包括動態再結晶和變形紋理。此外，通過SEM和透射電子顯微鏡（TEM）技術確定了中間溫度暴露后在晶界觀察到的沉淀的組成和順序。在中間溫度下退火的材料的機械響應也通過納米壓痕在晶界附近局部探測。最后，這些實驗結果與ThermoCalc熱力學軟件預測的相位平衡進行了證實。本研究結果突出了相和微觀結構演變對HfNbTaTiZr合金在與其應用相關的溫度下的張力力學響應之間的相互作用。相關研究成果以題“ Temperature-dependent tensile behavior of the HfNbTaTiZr multi-principal element alloy ”發表在國際期刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422009934

圖1

將HfNbTaTiZr在受拉時的屈服強度(左)和失效時的工程應變(%)(右)與之前報道的文獻中受拉和壓縮時的結果進行比較，分別用紫色五邊形和綠色圓圈表示。

圖2

在（A）室溫、（B） 800 ?C 和（C） 1200 ?C 下測試的 HfNbTaTiZr 拉伸的真實應力-應變曲線。請注意，所有真實應變軸都沒有縮放到相同的值。所有樣品在宏觀屈服后經歷了從 ε = 10−2 s -1到10−1 s -1的應變率變化。屈服強度和失效時工程應變的測量值列于表2中。

圖3

（A）在室溫、800°C和1200°C下測試的樣品全斷裂表面的比較。所有三個樣品都是按比例縮放的，但室溫和1200 ?C樣品的橫截面積分別表現出中等和顯著的減少。（B–D）通過埃弗哈特-索恩利探測器（ETD）從部分斷裂表面收集的死后二次電子（SE） SEM 顯微照片分別揭示了室溫、800 ?C 和 1200 ?C 拉伸加載后每個樣品的失效模式。（E–G）事后EBSD數據集，通過EMSphInX根據水平加載方向和反極圖（IPF）著色進行索引，從其斷裂表面10 mm內的相同拉伸樣品的拋光區域獲得。所有SEM顯微照片都使用相同的比例尺，同樣適用于所有EBSD數據集。

圖4

通過（A） STEM 高角度環形暗場（HAADF）對在 800 ?C 下測試的樣品拉伸的晶界進行檢查，可發現沉淀。（早至周五）at.%中的ChemiSTEM EDS組成圖突出顯示了兩種不同的沉淀物富集：一種富含NbTa，一種富含HfZr。調整了每張地圖的顏色范圍以改進其打印版本。

圖5

（A，B）退火的HfNbTaTiZr中高體積沉淀部分的背散射電子（BSE）SEM顯微照片，在晶界和晶內在800 ?C下100小時。（B）在三相點交叉處確定了三個成分不同的區域 - 沉淀物（BCC1），耗盡區（BCC2）和中間區（BCC3）。（C） X射線衍射（XRD）光譜證實了拉伸變形前的單相BCC材料（上圖）和具有不同晶格的三個不同的BCC相對應于在800?C下退火100小時的材料參數（底部）。

圖6

(A) HfNbTaTiZr樣品在800℃時效100 h后晶界析出的STEM HAADF。%與(A)相同的位置。每張地圖的顏色范圍都進行了調整，以改善其打印版本。(G)從(a)中黑色箭頭所示位置的晶界沉淀物中收集的SAED圖案。將該SAED圖案與[113]平面法線上的相鄰晶粒結合索引，可以發現沉淀物是BCC，與晶粒不相干，如衍射反射處的近衛星所示。

圖7

在 800 ?C 下退火 100 小時后，HfNbTaTiZr 中三個不同區域的平均硬度（GPa） ±標準偏差和平均彈性模量（GPa） ±標準偏差。每個值都是通過在 200–300 nm 壓痕深度處對單個壓痕進行平均，然后每個區域平均 10 個壓痕來確定的。

圖8

(AA) EBSD 數據集 (A–F) 的位置分別位于距離斷裂面約 7、11、20、30、40 和 50 mm 的量規部分，數據集 (G) 在 HfNbTaTiZr 拉伸的夾持部分在 1200 ?C 下測試的樣品。(H–M) UnRX grains 來自 (A–F) 數據集，分別根據指定的粒度 (GS) 進行分割。(A–E, H–L) 數據集大小為 500 × 500 μm，步長為 0.5 μm。(F, M) 數據集大小為 500 × 500 μm，步長為 1.5 μm。(G) 數據集大小為 1000 × 1000 μm，步長為 1 μm。(A–M) IPF 顏色的晶粒方向圖參考水平 < 010 > 加載方向。在 OIM 分析期間選擇的 2° 晶粒公差角。(N–S) unRX 晶粒中的變形紋理分別使用 (H–M) 中分割的晶粒計算。(T) 從 (G) 中的完整數據集計算的變形紋理。(U–Z) 動態再結晶 (DRX) 紋理使用從數據集 (A–F) 中分割的晶粒計算得出，晶粒取向分布 (GOS) 小于 2°。RX 晶粒的面積分數 (%) 及其各自的紋理圖。(N–Z) 對應于紋理強度的相同對數色標。在 OIM 中通過使用以下參數計算廣義球諧函數的級數展開來生成標準立體紋理圖：5° 的分辨率、反轉對稱性、16 級數、5° 的高斯半寬度、無樣本對稱性和方向采樣所有測量像素。

圖9

(A) EBSD數據集，來自1200℃下測試的HfNbTaTiZr拉伸樣品斷口約7mm處的測量切片，也在圖8A中提供。谷物方向圖在IPF顏色參考水平010加載方向。OIM分析中選取的晶粒公差角為2。(B, D, F, H)從(A)中選擇的顆粒方向圖，也是參考水平010加載方向的IPF顏色。(C, E, G)分別為(B, D, F)區域角向偏差的顆粒參考方向偏差(GROD)圖。(I)中鑒定的晶粒RX紋理。

圖10

等原子 HfNbTaTiZr 組成的熱計算模擬預測了 300–2500 ?C 的平衡相。計算出的轉化溫度見表4。

圖11

（A）在室溫下測試的 HfNbTaTiZr 樣品中三個晶粒三相交處的代表性 STEM HAADF 顯微照片顯示成分均勻，無晶界沉淀。（早至周五）化學STEM EDS以at.%映射，并調整了每張地圖的顏色范圍以改進其印刷版本。

總之，HfNbTaTiZr作為研究RMPEA力學性能的模型材料，發現了新的組成空間和高溫體系。HfNbTaTiZr在室溫下表現出良好的強度和延展性，但在800℃時拉伸延展性明顯下降。這種塑性下降與晶界析出有關，導致拉伸載荷下的晶間破壞。晶界處的析出物由兩種類型組成:一種是富Ta、nb的BCC析出物，另一種是富Zr、hf析出物。熱計算證實了實驗中觀察到的BCC和HCP沉淀的存在。在1200℃時，由于拉伸加載過程中微觀組織的動態恢復和部分DRX，合金表現出較高的延性。ThermoCalc計算預測，在此溫度下，材料以單相固溶體BCC合金形式存在。本研究中提出的證據表明，在使用時，需要控制沉淀和再結晶，同時考慮到潛在的加工和組件操作溫度范圍。