北京科技大学吕昭平教授团队！高温难熔高熵合金的组织稳定性及中温时效行为！

2022-03-24 11:33:17 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：本文详细研究了几种体心立方（BCC）难熔高熵合金（HEAs），即HfNbTaTiZr、NbTaTiZr、HfNbTiZr和NbTiZr在中温下退火100 h的显微组织和时效行为。所有这些 HEA 在 500 °C 左右开始分解成多个相，但在显著不同的温度下重新进入单相区域，对于 HfNbTiZr、NbTiZr、HfNbTaTiZr 和 NbTaTiZr，确定为 900°C 、1000°C 、1100 °C 和 1300 °C 以上。提出了一种设计用于实际应用的先进 RHEA 的新指标，这四种 HEA 中的起始分解温度与元素扩散速率密切相关，而终止分解温度强烈依赖于元素熔点。

高熵合金（HEAs）由于其高构型熵，优选在室温下形成单一固溶相，如面心立方（FCC）和体心立方（BCC），这些特性赋予它们出色的机械性能。然而，最近的初步研究表明，单相 HEA 倾向于分解或分离成多个相，尽管它们仍然可以将单相保持在临界温度以上。此外，还发现组成元素的类型在 HEA 的热稳定性中起重要作用。例如，据报道，增加 Mn 会不稳定，而增加 Co 会稳定 FCC CrMnFeCoNi HEA。有趣的是，提出了一个模型来说明这一特定 HEA 家族中金属间化合物相形成的热力学和动力学耦合。基于该模型，很明显，对于这些 HEA，存在一个发生相分解的温度跨度，以及起始温度（ Tc ）和终止温度（ Ts ））强烈依赖于扩散动力学和化学成分。

在目前的工作中，北京科技大学吕昭平教授团队研究了在中等温度下退火 100 小时的具有单一 BCC 结构的等原子难熔 HEA 的显微组织演变，即 HfNbTaTiZr、NbTaTiZr、HfNbTiZr 和 NbTiZr。对 HfNbTaTiZr、NbTaTiZr、HfNbTiZr 和 NbTiZr RHEAs 在中温退火后的显微组织进行了全面系统的研究。在 1200°C 均质化处理 10 h 后，这些 RHEA 均为单相固溶体。根据 Δ G = Δ H - T Δ S的关系，其中 Δ G、 Δ H和 Δ S分别是吉布斯自由能、熵和焓的变化，高构型熵在降低合金体系的吉布斯自由能方面起主要作用，特别是在高温下。为了定量揭示这些 RHEA 中的相分解行为，我们应用之前提出的模型[5]来分析 FCC HEA 热处理过程中的结构演变。通过我们的 SEM 和 XRD 数据获得的相分解的起始温度（ Tc ）、终止温度（ Ts ）和温度范围（ ΔT=Ts - Tc ）总结在表 1中。请注意，由于它们的体积分数小，在几种退火合金中形成的相可以通过 SEM 观察到，但不能通过 XRD 检测到。相关研究成果以题“Microstructural stability and aging behavior of refractory high entropy alloys at intermediate temperatures”发表在Journal of Materials Science & Technology上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S100503022200216X#fig0001

在高纯氩气氛中采用电弧熔炼和滴铸法生产名义成分为HfNbTaTiZr、NbTaTiZr、HfNbTiZr和NbTiZr的合金锭。原料金属的纯度至少为 99.9 at.%。为确保化学均匀性，通过首先将母合金（HfTa、NbTi、HfZr 和 TaZr）熔化 4 次，然后将母合金混合至少 4 次来制备锭。在真空和 Ar 回填石英安瓿中，铸态锭在 1200°C 下均质化 10 小时。均质化后，将 RHEA 样品在 350 至 1300 °C 的温度下等时退火 100 小时。所有热处理均在 Ar 回填石英管中进行，以避免对材料的氧化和环境影响，然后快速水淬至室温。

图 1显示了 HfNbTaTiZr （a）、NbTaTiZr （b）、HfNbTiZr （c）和 NbTiZr （d） RHEA 在均质化后的 EBSD 结果。这些反极图证实所有合金在化学上均质且晶粒粗大，HfNbTaTiZr、NbTaTiZr、HfNbTiZr 和 NbTiZr 的晶粒尺寸分别为 0.3、0.2、1.8 和 0.9 mm。为了进一步表征退火后 HfNbTaTiZr RHEA 的特定微观结构和化学成分，还进行了 TEM 研究。例如，图 4显示了 A750 样品的明场（BF）扫描透射电子显微镜（STEM）图像和相应的元素分布图。根据 BF 图像，在基体中形成了两种不同对比度的析出物。元素图显示灰色相中 Ta 和 Nb 富集，而白色相中 Hf 和 Zr 富集。

图 1。均质化处理后的 HfNbTaTiZr（a）、NbTaTiZr（b）、HfNbTiZr（c）和 NbTiZr（d）的 EBSD 的反极图和相应的 XRD 结果（e）。

图 2。在不同温度下退火 100 小时的 HfNbTaTiZr HEA 的 XRD 图案（a）和晶格参数（b）。（a）中的红色箭头表示在 650°C 退火 100 小时的 HfNbTaTiZr 中第三相的衍射峰。

（1）HfNbTaTiZr 在 500-600 °C 退火后分解成一个 BCC 相加一个六方（或 HCP）相，而在 650-1000 °C 退火两个 BCC 相加一个 HCP 相。NbTaTiZr合金在500-900℃退火后分离成两个BCC相，在1000-1100℃退火三个BCC相，在1200-1300℃退火一个BCC相加一个HCP相。在 500-750 °C 退火的 HfNbTiZr 和在 500-900 °C 退火的 NbTiZr 中分别形成了有限的第二相。