麻省理工学院Nature Materials：自然混合原则设计出高塑性铸造难熔高熵合金

虚谷纳物 1年前 (2023-01-02) 1605浏览

一、导读

高熵合金的不断发展为结构和功能材料的开发提供了新的机会。耐火难熔高熵合金(RHEAs)是高熵合金家族的一个重要子集，自首次单相体心立方(bcc)结构的第一个实例被发现以后，引起了科学家越来越多的兴趣。高熵难熔合金(RHEA)的高温屈服强度可以很好的保存，具有较高的稳定性。但是目前，难熔高熵合金的开发遇到了一些瓶颈：（1）大多数报道的难熔高熵合金在环境温度下表现出极低的拉伸延展性；（2）由于难熔元素扩散动力学的迟滞，微观结构的均匀化很受挑战；（3）在中间温度下抗氧化性能不足严重阻碍了热加工处理的应用。由于这些挑战和缺乏足够复杂的热力学-动力学研究基础，RHEA的应用潜能还没有被完全开发。本工作通过应用cantor的方法，利用耐火元素之间的自然混合特性来最大限度地减少铸件偏析，从而开发出一种RHEA，具有高温强度以及塑性和强度的理想组合。

二、成果掠影

近日，来自麻省理工学院的Cemal Cem Tasan教授利用难熔元素之间的自然混合特性，设计了一种Ti38V15Nb23Hf24难熔高熵合金，该合金在铸态下具有>20%的拉伸延展性，在高温下表现出优异的物理化学稳定性。在多个长度尺度上对潜在变形机制的研究表明，一种罕见的β′相在这种合金的力学响应中起着主导性的作用，其极大的提高了合金的加工硬化能力，还具有防止元素快速扩散的能力。这些结果揭示了自然混合倾向在加速高熵合金发现方面的有效性。相关成果以“Natural-mixing guided design of refractory high-entropy alloys with as-cast tensile ductility”为题发表在国际材料顶刊Nature Materilas期刊上。

三、 核心创新点

（1）巧妙的利用难熔元素之间的自然混合特性，设计出一种Ti38V15Nb23Hf24难熔高熵合金；

（2）发现一种罕见的β′相，具有优异的高温物理-化学稳定性；

四、数据概览

图1 耐火元素成分搜索策略；a) RHEA的铸态微观组织，由九种相同原子比例难熔元素组成。EDS结果显示了四个相偏析区域的存在，分别富集Ti、Mo、Cr和Hf；b) 四种合金的铸态显微组织；c) 再结晶Ti38V15Nb23Hf24RHEA的微观结构表征，其组成继承自a中最大的单相区(记为Ti-V-Nb-Hf) ；© 2022 Springer Nature

图2 设计的Ti38V15Nb23Hf24RHEA的力学行为；a)室温下单轴拉伸性能。Ti38V15Nb23Hf24RHEA在铸态和均质-再结晶处理后均表现出优异强度-塑性组合；插图显示了与文献相比，目前两个RHEA的比屈服强度(σys/ρ)和断裂伸长率(εf)之间的理想协同作用的Ashby图；b)应变硬化率与局部应变剖面图。插图显示了两个RHEA在缩颈起始点(光环圈)和断裂前的局部应变剖面。© 2022 Springer Nature

图3 Ti38V15Nb23Hf24RHEA的变形机制研究；a)局部应变水平为~10%时表面台阶的形态(见黄色箭头)；b) ECCI和TEM表征位错构型。左图:低倍率ECCI显微照片，显示在局部应变水平为~3.0%时存在沟道带。右图:最上面一排的高倍ECCI显微照片显示了弯曲位错结构(黄色箭头突出显示)，表明纳米尺度异质性的存在，底部的TEM BF图像验证了ECCI观测结果；c)定量评估由于沟道带形成的对比和局部取向差。d)EBSD IPF图、相图和GROD图表明，位错塑性变形发生在沟道带内，但没有机械孪生或相变的特征。© 2022 Springer Nature

图4 Ti38V15Nb23Hf24RHEA结构异质性的原子尺度表征。a) HRTEM显微照片与相应的FFT模式表明存在bct结构的纳米级沉淀物；从实测的FFT图形和模拟的FFT图形性特征表明，纳米沉淀物的晶体结构为c轴收缩的bct结构，其晶格常数aβ0'与基体bcc晶格相同；b) APT图。等成分面证明了成分的非均质性。c)沿着b中选定的粒子获得的近似值，显示bcc矩阵和bct沉淀物之间的元素分配特征。d)左边为纳米沉淀物结构变形机理的定性说明。右边显示的是一系列扭曲区域的HRTEM显微照片。随着电子束退火时间的延长，该区域经历了结构恢复，逐渐改善了局部晶格周期性，支持了所提出的析出-结构畸变机制。e) TEM BF(接近双光束条件)和从变形试样中拍摄的相应DF显微照片。© 2022 Springer Nature

五、成果启迪

道法自然，巧妙的利用各元素的特性，采用自然法则开发高熵合金，是一种非常有前景的结构和功能材料发展策略。

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

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