導(dǎo)讀：耐火高熵合金(RHEAs)在超高溫應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。了解其基本原理有助于改善該合金的低溫脆性和高溫蠕變強度差。本文通過實驗、理論和模型研究了原型體心立方(BCC) RHEAs、TiZrHfNbTa和VNbMoTaW。前者可壓縮到77k，而后者不能低于298k。相對于均為BCC元素的VNbMoTaW, TiZrHfNbTa中的六方密排(HCP)元素降低了其位錯核能，增加了晶格畸變，降低了其剪切模量。螺紋位錯主導(dǎo)TiZrHfNbTa塑性，但在VNbTaMoW中存在等量的邊位錯和螺旋位錯。在VNbTaMoW中位錯核致密，在TiZrHfNbTa中位錯核擴展，并且在兩種RHEAs中激活了不同的宏觀滑移面，原因在于HCP元素的濃度，通過HCP與BCC元素在耐火高熵合金中的比例，可以實現(xiàn)控制其延展性和強度。

鎳基高溫合金已經(jīng)發(fā)展成為高度工程化的材料，作為目前最先進的金屬合金在高溫氧化環(huán)境下實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)應(yīng)用。其中最先進的，如CMSX-4，具有一個面心立方(FCC)基體，由高體積分數(shù)的l12結(jié)構(gòu)ni3al型析出相以磚塊和砂漿的方式排列。它們最苛刻的應(yīng)用之一是用于現(xiàn)代噴氣發(fā)動機高壓部分的渦輪葉片，其中氣體溫度可以超過高溫合金的熔點，而合金本身則通過葉片表面的隔熱熱障涂層和葉片內(nèi)的整體冷卻通道保持較低的溫度。進一步提高發(fā)動機和發(fā)電廠的效率(對減少碳足跡至關(guān)重要)將需要提高工作溫度。然而，目前的操作已經(jīng)接近現(xiàn)有材料本身的極限，因此需要更高熔化溫度的新型合金。

新型合金的其中一類包括RHEAs，其高熔點使之有實現(xiàn)超高溫應(yīng)用的潛力。然而，近來有研究表明，盡管熔點更高，單相的RHEA TiZrHfNbTa在蠕變方面明顯弱于CMSX-4。有兩個因素造成該缺點：首先，相對于CMSX-4的FCC基體，RHEA的BCC基體中的擴散速度更快，其次是其缺乏沉淀。因此，需要進一步研究提高TiZrHfNbTa的蠕變強度，比如引入合適的強化沉淀。同時，熔點較高的RHEAs也必須進行研究，因為這類材料的擴散速度較慢。其中一種RHEA是VNbMoTaW8，其熔點比tizrhfnbta大約高500℃。然而，它存在較大缺陷：即使是在室溫條件下壓縮，仍然缺乏延展性。相比之下，盡管比不上具有高延展性和抗斷裂特性的FCC HEAs，TiZrHfNbTa在室溫下的壓縮和拉伸(~8%)還是表現(xiàn)出一定延展性。

即使是那些主要用于高溫應(yīng)用的結(jié)構(gòu)材料，在室溫下也需要具有一定的延展性，以承受日常處理、意外掉落、熱沖擊等事件的影響。目前的困境是，TiZrHfNbTa具有拉伸延展性，但蠕變強度很差，而VNbMoTaW雖然具有足夠的蠕變強度(盡管還有待確定)，但拉伸性不足。

本文利用實驗、理論和建模來研究上述兩種模型系統(tǒng):TiZrHfNbTa(延性)和VNbMoTaW(脆性)，其總體目標是對控制其延性和強度的關(guān)鍵因素有一個基本的了解，以幫助指導(dǎo)下一代高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用的新型耐火高熵合金的設(shè)計。

日本京都大學都留智仁等教授相關(guān)研究以“Intrinsic factors responsible for brittle versus ductile nature of refractory high-entropy alloys”為題發(fā)表在nature communiacations上。

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45639-8

圖1所示。a、b VNbMoTaW (a)和TiZrNbHfTa (b)在低于和高于各自BDTTs的溫度下壓縮變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。除TiZrNbHfTa在室溫下發(fā)生斷裂外，其余均發(fā)生斷裂;相應(yīng)的斷裂應(yīng)變(εf)在圖中標注。c, d屈服強度與溫度的關(guān)系(c)，剪切模量歸一化屈服強度與同源溫度的關(guān)系(T/Tm) (d)，位錯運動激活焓與溫度的關(guān)系(e)。

圖2所示。c - e沿(c)、(d)、(e)加載后的典型變形微柱。f - h沿(f)、(g)、(h)加載后的典型變形微柱。i、j沿(i)、(j)加載后的典型變形微柱的亮場TEM圖像。在室溫(k)和77 k (l)下，TiZrNbHfTa滑移后典型變形微觀結(jié)構(gòu)的亮場TEM圖像。(k)的薄片平行于沿孿晶方向變形的微柱試樣的宏觀滑移面切割。為了比較，(l)從變形的塊狀多晶體上平行于同一平面切割。

圖3 具有理想隨機結(jié)構(gòu)的VNbMoTaW和TiZrNbHfTa的晶格常數(shù)和彈性常數(shù)。b每個本構(gòu)元素的MSAD值的平方根，以及所有元素的平均值，通過Burgers向量歸一化(誤差條表示標準差)。插入的原子圖像是松弛構(gòu)型的典型例子(見補充圖4)。c、d TiZrNbHfTa (c)和VNbMoTaW (d)中螺旋位錯偶極子的典型構(gòu)型，其中位錯核心使用微分位移矢量可視化。e TiZrNbHfTa和VNbMoTaW中135種偶極子構(gòu)型，用彈性理論計算的能量歸一化后的核心能量頻率分布(注意能量尺度的斷裂，橫軸)。

圖 4BCC金屬中與佩爾斯電位表面相關(guān)的位錯核心結(jié)構(gòu)示意圖。符號E、H和S分別代表易核、硬核和分核構(gòu)型。b純Nb、虛擬Nb67Zr33和虛擬Nb50Zr50合金的peerls勢能面，計算了E、H和S三角形內(nèi)幾種采樣構(gòu)型的能量。箭頭對應(yīng)于位錯運動的最小能量路徑。c純Nb、虛Nb67Zr33和虛Nb50Zr50合金態(tài)的聲子色散和密度，其中bcc相布里溫區(qū)高對稱方向聲子分布，其中Г、H、P和N對應(yīng)高對稱點。

綜上所述，本研究制備了原型體心立方單相VNbMoTaW和TiZrNbHfTa等原子合金模型。通過對多晶VNbMoTaW和TiZrNbHfTa的壓縮實驗，得到了各自屈服應(yīng)力的溫度依賴性程度。得出報告顯示，VNbMoTaW在室溫下是脆性的，而TiZrNbHfTa在室溫下是延性的。在幾乎各個溫度下，VNbMoTaW強于TiZrNbHfTa。在VNbMoTaW中，室溫條件下可以觀察到塑性流動，而TiZrNbHfTa需要塑性壓縮到77 K。盡管塑性流動的起始溫度差異很大，但兩種合金的溫度依賴性在性質(zhì)上相似：屈服應(yīng)力在低溫下迅速增加，并保持在一個幾乎恒定的值，即在臨界溫度或非熱溫度(TTA)以上的“非熱”應(yīng)力(σμ)。基于上述結(jié)果，本文假設(shè)TiZrNbHfTa中HCP元素的濃度高于VNbMoTaW這一事實是導(dǎo)致晶格畸變、位錯核結(jié)構(gòu)和滑移行為發(fā)生顯著變化的原因，

此外，本文構(gòu)建了不同成分的虛擬鈮-鋯合金:純Nb、Nb67Zr33和Nb50Zr50，以驗證關(guān)于HCP元素濃度增加影響的假設(shè)。用VCA方案的第一性原理計算研究了這些成分的位錯軌跡。值得注意的是，當鋯元素濃度達到50%時，最小能量路徑與平面重合。限于計算能力，在上述處理中的二元合金屬于真實耐火高熵合金的粗略近似值。如果需要更全面的理解，有待進一步的研究，和更全面的實驗設(shè)計。