深大《Mater Des》：一种新型优异力学性能的轻质难熔高熵合金！

2022-11-25 14:11:55 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

通过纳米析出和位错诱导变形获得力学性能优异的轻质难熔高熵合金

现阶段对高温下具有一定机械性能的合金有广泛应用需求。新技术需求的金属材料，要在比镍基合金服役温度更高的条件下工作。尽管镍基合金在较高温度下具有独特的性能组合，但这些合金要么室温延展性较低（低于10%），要么密度较高（超过8.5g/cm³），这大大限制了它们的实际应用。最近，一种轻质难熔高熵合金（RHEAs）被开发出来有望解决这些问题，由于它们具有较好的高温强度，因此得到了广泛关注。一些研究人员观察到，与典型的镍基合金（如Inconel 718和Mar-M247）相比，RHEAs（如NbMoTaW和AlMo_0.5NbTa_0.5TiZr）显示出更高的高温力学性能，高温应用前景广阔，为了进一步完善该合金，减质和改善脆性是首要任务。

深圳大学的一项最新研究探讨了通过RHEAs成分调控密度并改善力学行为，设计了一系列Al_0.5Ti₂Nb₁Zr₁W_X（X：0、0.3、0.5和0.7），分析了该合金的微观结构、强化增韧机制、室温高温下的力学性能以及潜在的变形机制。相关论文以题为“A superb mechanical behavior of newly developed lightweight and ductile Al0.5Ti2Nb1Zr1Wx refractory high entropy alloy via nano precipitates and dislocations induced-deformation”发表在Materials & Design。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111034

研究发现在Al_0.5Ti₂Nb₁Zr₁W_0.5RHEA中，观察到不同的变形特征。RHEA在973 K到1073 K之间表现出持续的应变硬化，而在1273 K下压缩的RHEA没有表现出应变硬化，在屈服后表现出流动软化。大量的位错聚集在GBs附近，这些区域的位错集中有助于GBs附近变形。在973 K时缺乏位错迁移和扩散，意味着应力不能被缓解或协调变形，由此产生的应力集中加速了微裂纹的产生和扩散，这不利于材料的抗变形能力，随着应变的增加，GBs处的应力集中促进了微裂纹的形成。同时，位错重排引发的子结构导致动态回复，这类变形加速了从硬化到软化的转变。

图1 (a, b) Al_0.5Ti₂Nb₁Zr₁W_0.5RHEA的DF-TEM显微图，其相应的SAED图显示B2相；(c) HR-TEM显微图显示BCC/B2之间的界限；(d) Al_0.5Ti₂Nb₁Zr₁Wx (X: 0-0.7) RHEA的XRD图

图2 Al_0.5Ti₂Nb₁Zr₁Wx(X: 0-0.7) RHEAs的压缩性能 (a, b)在室温和(c)在高温下的工程/真应力-应变曲线

图3 Al_0.5Ti₂Nb₁Zr₁W_0.5RHEA在298 K、973 K和1273 K下压缩60%的EBSD结果

图4 Al_0.5Ti₂Nb₁Zr₁W_0.5RHEA在1273 K下压缩60%后的BF-TEM显微照片(a)位错；(b)亚晶粒

图5 Al_0.5Ti₂Nb₁Zr₁W_0.5RHEA在不同温度下压缩后的变形机理示意图

新开发的轻质Al_0.5Ti₂Nb₁Zr₁W_0.5RHEA由于其体心立方结构和B2纳米析出相而表现出突出的比屈服强度（SYS）。它具有较高的SYS（σ_0.2/ρ=187MPa g^-1 cm³）、均匀硬化和优秀的塑性（ε>68%）。在1073K下压缩后，得到优良的SYS（σ_0.2/ρ=94MPa g^-1 cm³），应变硬化能力是由位错主导的变形提供的。相比之下，微裂纹的扩展和动态再结晶（DRX）加速了从硬化向软化的转变。与973 K和1073 K变形的RHEA相比，在1273 K压缩时，RHEA的流动应力迅速下降，随后产生了稳态流动。CDRX和位错湮灭有效地降低了应力集中，避免了GBs下微裂纹的扩展，扩散控制的DRX是1273 K压缩后持续应变软化的主要原因。这些结果不仅指出了该合金具有极好的可变形性和优异的高温性能，还促进了这类合金的未来发展及应用。

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