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《Acta Materialia》：具有超強成形性的強韌性難熔高熵合金！

2023-02-09 17:00:37 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

作為一類新的金屬材料，高熵合金（HEAs）或由四種或更多主要元素組成的復雜的濃縮合金極大地拓展了合金設計的空間。在廣泛的溫度范圍內，HEAs已經發現了越來越多的有吸引力的特性，包括在環境溫度下出色的強度-傳導性協同作用，在低溫下卓越的機械性能以及在高溫下超高的強度。在各種HEA中，難熔HEA（RHEAs）脫穎而出，因為它們在800^?C以上的高溫下具有無與倫比的機械性能，在某些情況下甚至可以達到1500^?C，這使它們成為高溫結構應用的有前途的候選材料，其性能超過了傳統的鎳基超耐熱合金。難熔高熵合金（RHEA）被認為是目前使用超合金的高溫結構應用的有前途的候選材料。然而，對于大多數已報道的RHEA來說，它們在室溫下的不良延展性和可忽略的冷加工性阻礙了它們的使用。

來自加州大學歐文分校的學者報告了一類新的非等離子NbTaTi基RHEAs，它可以在不進行表面處理和/或中間退火的情況下，其延展性差從鑄造狀態直接冷軋90%以上。這種優秀的冷加工能力是通過激活高密度的位錯和變形孿生體以及高擴散路徑來實現的，因此這些RHEAs可以在較低的退火溫度下以更短的時間長度來實現均質化。此外，本研究發現：RHEAs在高溫下依然能夠保持高強度，在低溫條件下表現出相當大的延展性，避免了傳統的強度-延展性權衡。這類超級成型的RHEAs為通過節能和省時的方法制造高溫結構材料提供了一種新的設計途徑。相關文章以“Strong and ductile refractory high-entropy alloys with super formability”標題發表在Acta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118602

圖1. Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在室溫下出色的冷加工性能和相關的變形微觀結構。Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA從（a）鑄造狀態到厚度減少（RIT）（b）50%（出現一些表面缺陷）（c）75%和（d）91%的圖像。冷軋Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA的電子背散射衍射（EBSD）反極點圖（IPF）和相關的錯向剖面圖，RIT為（e）10%，（f）20%，（g）30%，和（h）60%。(i) 透射電子顯微鏡(TEM)明視場(BF)顯微照片，在RIT為91%的NTTHZ RHEA中具有高密度位錯的片狀帶。

圖4. Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA的微觀結構和相關元素分布，具有異質層（HL）結構。(a) Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅ RHEA在冷軋后的EBSD反極圖，RIT為90%，在900^?C退火1小時。（b）恢復狀態的超細晶粒（UFG）分布在黑色區域。(c) 軋制和退火的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅中超細晶粒和fne晶粒的掃描TEM顯微照片和相關EDS圖譜，顯示沒有元素偏析。

圖5. 冷軋Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在不同條件下退火后不同微觀結構的EBSD反極點圖和相關帶狀對比圖。(a) CR90 Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在1150^?C退火1小時后的EBSD IPF。(b) (a)圖中的相關EBSD BC圖像，顯示了fine-grained微結構。(c) CR90 Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在1300 ^oC退火0.5小時后的EBSD IPF。

圖6. 具有HL結構的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在常溫至高溫下實現的高抗拉強度-傳導性協同作用。(a)具有HL結構的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在環境溫度和高溫（800、900、1000和1100^?C）下的真實應力-應變（SS）曲線。HL-NTTHZ RHEA在室溫下拉伸試驗后的斷裂表面的SEM顯微照片，展示了高密度的凹痕和(b)和(c)中的韌性斷裂類型。

圖8. 對壓縮的結構演變反應。(a) Nb₆₀Ta₂₅Ti₁₅分別在10%應變、20%應變、30%應變下沿[110]方向被壓縮。(b) Nb₆₀Ta₂₅Ti₁₅沿[001]方向受壓。Nb₆₀Ta₂₅Ti₁₅內的雙子胚胎和雙子生長。(c) 純Nb沿[001]方向受壓，變形受純位錯滑移支配。

圖9. 具有HL結構的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅的拉伸強度與測試溫度的關系，與韌性高溫金屬和合金相比，包括傳統的Ni基超耐熱合金，難熔金屬（Nb，Ta）以及難熔Nb基合金和Ta基合金。

圖10. 具有HL結構的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在不同塑性階段的變形機制。(a) 變形的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA的TEM前移電子衍射（PED）IPF，應變為0.05。(b) 從(a)圖中的變形試樣中提取的相應的核平均錯向圖（KAM），顯示出更高的應變定位和沿界面更強的位錯活動。(c) EBSD IPF圖像顯示在0.08的應變下大多數晶粒沿拉伸方向被拉長；(d) 平均真實應變為0.36的晶粒的應變分布。(f) Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅的EBSD帶狀對比(BC)顯微照片，應變為0.12。(g) 與(f)相對應的基于EBSD的晶粒平均GND密度圖，顯示位錯密度的顯著異質分布，單位：log₁₀(m^-2).

本研究設計并制造了一種新型的難熔HEA，它具有良好的加工性能，可以在室溫下直接從鑄造狀態進行嚴重的冷加工，而不需要中間退火。由凝固引起的表面缺陷可以通過冷軋過程本身來消除。據推測，在冷軋過程中形成的變形誘導雙胞胎和微帶是這種自愈現象的原因。變形誘導孿生的形成機制通過MD模擬分析得到證實。優秀的冷加工性能使這種RHEA在隨后的退火步驟中具有可調整的微觀結構。位錯管擴散大大增加了擴散率，使這種RHEA以一種能量和時間效率高的方式變得均勻，這是超高熔點合金的真正成就。本研究還通過實驗證明，本研究的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在低溫到高溫下既堅固又有韌性。背應力強化有助于異質結構的Hf₁₅Nb₄₀Ta₂₅Ti₁₅Zr₅RHEA在環境溫度下的高拉伸強度。本研究基于NbTaTi的難熔HEA設計策略為設計和制造具有超高熔點和優良加工性的金屬材料提供了一種實用的方法。