具有体心立方(BCC)结构的高熵合金(RHEAs)具有优异的抗软化性能，是一种很有前途的高温材料。然而，大多数能够承受1400℃软化的RHEAs在室温下通常会出现脆性，这导致其可加工性较差，限制了其作为高温结构材料的应用。例如，虽然MoNbTaW RHEA在1400℃时具有421 MPa的高强度，但在室温下表现为脆性断裂。HfNbTaTiZr密度低，在室温下表现出良好的延展性，使其成为一种具有竞争力的高温材料。然而，HfNbTaTiZr RHEA室温和高温强度相对较低，限制了其应用。为了克服这种HEA系统的缺点，人们进行了一些研究。在合金基体中引入有序氧配合物后，TiZrHfNb HEA的室温抗拉强度从776 MPa提高到1110 MPa。我们之前的工作表明，Al₂O₃颗粒的加入显著提高了HfNbTaTiZrV的强度，在室温下达到2700 MPa，在1000℃下达到693 MPa。然而，这种Al₂O₃增强的HfNbTaTiZrV在室温下的塑性应变仅为6%。氧化物与基体之间的非相干界面不仅降低了基体的延展性，而且限制了Al₂O₃颗粒的掺杂量。因此，需要开发一种新的策略来设计低密度的RHEA，以在室温和高温下实现高强度和延展性的平衡。

近年来的研究表明，双相材料比单相材料在克服强度-延性权衡方面更有优势。层状共晶合金AlCoCrFeNi_2.1由软面心立方相(FCC)和硬B₂相交替组成，表现出显著的强度-延性组合，其极限抗拉强度为1.2 GPa，延伸率为12%。通过变形热处理，在CoNiV中熵合金中沿变形剪切带形成了与BCC基体具有相干界面的L2₁相，使合金具有超强韧性。然而，由于层错能高和固有的脆性，上述提高FCC HEAs力学性能的方法不适用于BCC RHEAs。一些研究已经注意到在RHEAs中添加陶瓷相。碳化物和氮化物等陶瓷颗粒具有高熔点和强度的内在特征，适合超高温应用。可作为候选材料引入RHEAs中，提高极端条件下的高温软化性能。然而，陶瓷颗粒与基体界面的不协调可能是裂纹萌生的原因。

进一步提高强度和克服严重脆性的关键是陶瓷相的含量和掺杂方法。一种可行的方法是促进与基体具有相干或半相干取向关系的二次相的原位析出，这可以有效降低析出相与基体之间的弹性失配能，从而由于低界面能而增加位错相互作用。例如，在NbMoTaW RHEA中引入大量C元素，原位制备了具有层状结构的双相Re_0.5MoNbW(TaC)_0.5高熵复合材料，碳化物与基体[15]具有半相干界面。结合HEAs和碳化物的优点，Re_0.5MoNbW(TaC)_0.5在室温下具有1340 MPa的屈服强度和2347 MPa的极限抗压强度，塑性为8.90%。在Cx(NbMoTaW) _100-x合金中进行了类似的研究，NbMoTaW合金的强度和延展性由于碳化物相的析出而得到了显著的提高。氮化物的熔点与碳化物的熔点相似。目前对氮化物增强HEAs的研究主要是微量添加带来的间隙强化，其效果与C元素相同。然而，高氮化相含量对电弧熔炼法制备RHEAs的影响尚未见报道。设计具有相干氮化物相的双相RHEA是开发具有优异高温软化性能、室温强度和延展性的材料的一种有前途的方法。

在此，东南大学的沈宝龙教授团队设计了一种氮化增强HfNbTaTiV合金，该合金可以通过在氮化相与基体之间形成半相干界面进行强化。该合金在室温下表现出高强度和大延展性，以及优异的高温强度。本文对此进行了详细的微观结构研究，以揭示力学行为的起源。FCC氮化相与BCC相的相干界面关系为设计高强度延性HEAs提供了依据。相关研究成果以题“Nitride-reinforced HfNbTaTiV high-entropy alloy with excellent room and elevated-temperature mechanical properties”发表在Journal of Materials Science & Technology上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223000555

图1 相和微观结构表征。

(a) (HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金的XRD图谱，(b)计算得到的平衡相图，(c, d)铸态HfNbTaTiV和(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金的SEM-BSE图像。

图2 铸态HfNbTaTiV和(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金的EBSD图像。

(a, b)相位图，(c, d)核平均方向误差(KAM)图。

 图3 铸态(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金组织。

(a)亮场TEM图像，(b)对应的(a) EDX图，(c) HRTEM图像和(d) BCC和FCC1相的SAED图，(e) (c)白方的IFFT图像显示了BCC和FCC1相之间的界面。

图4 铸态(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金的STEM图像。

(a) HAADF-STEM， (b) (a)红色矩形的HRTEM图像为BCC和FCC2相的界面，(c) (b)的FFT图，(d)水平法向应变的原子应变分布图。

 图5 机械性能。

(a)室温下HfNbTaTiV和(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀在不同温度下的压缩工程应力-应变曲线，(b)室温下单相或双相RHEAs的压缩特性概述，(c)室温下(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金的典型载荷-位移曲线显示弹入事件，(d)纳米压痕试验获得的硬度和弹性模量。

图6 (HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金在屈服应变条件下1400℃压缩后的显微组织。

(a) XRD图谱，(b) SEM图像，(c)晶粒取向差分布直方图，(d) KAM图。

 图7 (HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金室温变形过程中位错的STEM观察

(a) 2%应变，(b) 6%应变，(c) 10%应变，(d) (c)中黄色矩形的放大HAADF-STEM。

图8 (HfNbTaTiV)₉₀N₁₀合金裂纹的典型扫描电镜图像。

(a)室温压缩，断裂应变;(b) 1400℃压缩，30%应变，黄色箭头和蓝色箭头分别突出显示多条微裂纹，主要包括环形和弯曲的微裂纹。(C) (HfNbTaTiV)₉₀N₁₀中位错和微裂纹起裂行为的简图。

综上所述，本文采用电弧熔融法，制备了在室温和高温下具有超高强度和延展性的氮化增强HfNbTaTiV RHEA。(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀由BCC基体和FCC氮化物相组成。BCC相和FCC相之间的半相干界面促进了位错的增殖和螺杆位错的交叉滑移，从而降低了应力集中，提供了强应变硬化。氮化相显著提高了耐高温软化性能。因此，(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀在室温下克服了强度-塑性的权衡，表现出2716 MPa的超高屈服强度和10%的大塑性。合金在1200℃时的屈服强度为639 MPa，在1400℃时的屈服强度为279 MPa。高温压缩后无相变，表明其具有良好的高温稳定性。(HfNbTaTiV)₉₀N₁₀采用多相非均相结构，实现了高熔点硬氮化物相与高熵金属相的协调变形。低密度合金在室温下表现出较高的强度和较大的延展性，为解决室温下的脆性提供了一种新的策略。