东南大学沈宝龙课题组《JMST》：Al2O3增强难熔高熵合金高温强度

2023-03-21 15:28:53 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

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本文设计制备了Al2O3增强HfNbTaTiZrV难熔高熵合金，该合金具有优异高温强度与相稳定性。4 vol.% Al2O3的添加可显著提高屈服强度，800 °C温度下屈服强度达1392 MPa，1000 °C高温下仍具有693 MPa的屈服强度。Al2O3的添加实现了强化机制协同作用，间隙强化作用随温度升高而增强，为高温条件下主要强化机制。该研究结果促进了氧化物增强难熔高熵合金的探索与制备，有望为设计开发新型多机制共同强化作用高温高强高熵合金提供一种新思路。

研究背景

难熔高熵合金是超高温环境服役的理想材料，但大多数难熔高熵合金室温塑性小，高温下相稳定性差。HfNbTaTiZr是目前研究最深入的难熔高熵合金之一，其密度低、室温塑性大，但室温下屈服强度仅为929 MPa，800 °C温度下压缩强度只有535 MPa。此外，HfNbTaTiZr合金在高温下相稳定性差，易发生相分解，在700 °C退火2.5 h后由单一BCC相分解为富NbTa的BCC相和富ZrHf的HCP相，严重限制了其高温应用。因此，提高强度和相稳定性是实现HfNbTaTiZr合金高温应用的关键。

本文亮点

（1）采用Al2O3增强HfNbTaTiZrV难熔高熵合金，实现多种强化机制共同作用提高合金高温强度与相稳定性。

（2）通过量化多种强化机制对合金强度的贡献，揭示氧原子引起的间隙强化是高温条件下的主要强化机制。

（3）为轻质难熔高熵合金获得宽温域优异力学性能提供设计思路。

图文解析

图1 工程应力-应变曲线：（a）室温压缩，（b）4 vol.% Al2O3合金高温压缩。Al2O3的添加显著提高了合金强度，合金具有高强度的同时保持一定的塑性变形能力。4 vol.% Al2O3合金室温下屈服强度为2700 MPa、塑性应变为6%，800 °C压缩屈服强度为1392 MPa，1000 °C高温下仍保持693 MPa的高强度。

图2 Al2O3添加对合金晶粒尺寸的影响。随Al2O3含量的增加，合金晶粒尺寸从80减小至13 μm，具有显著的细晶强化作用。

图3 室温下变形量为5%时微观结构分析：（a）HfNbTaTiZrV合金，（b）图（a）的SAED，（c）4 vol.% Al2O3合金，（d）图（c）的SAED。添加4 vol.% Al2O3后，合金中的第二相在变形中钉扎并阻碍位错运动。

图4 晶格畸变分析：（a）和（b）分别为HfNbTaTiZrV和4 vol.% Al2O3合金的HRTEM图，（c）和（d）分别为（a）和（b）的IFFT图，（e）和（f）分别为HfNbTaTiZrV和4vol.% Al2O3合金的应变分布图。添加4 vol.% Al2O3后，合金中氧原子间隙固溶诱导严重晶格畸变，出现高密度晶格错配。

图5 4 vol.% Al2O3合金高温处理后的微观结构：（a）热处理后的XRD图，（b）800 °C压缩测试后的TEM图，（c）800 °C退火3 h后的TEM图，（d）800 °C压缩后的EBSD图，（e）不同温度变形后的{110}BCC极图。高温处理后未发生相分解，表现出优异的相稳定性。

图6 4vol.% Al2O3合金与已报道的难熔高熵合金性能对比。4vol.% Al2O3合金兼具低密度和优异抗高温软化特性。

结论展望

本文在HfNbTaTiZrV难熔高熵合金中适量添加Al2O3，显著提高合金抗高温软化性能，实现了多种强化机制的协同作用。特别是氧原子的间隙固溶引入了较大晶格畸变，显示出优异间隙强化效果，是合金抗高温软化的主要机制。本文证明了通过外加氧化物颗粒提高难熔高熵合金高温力学性能和相稳定性的可行性。

作者简介

东南大学沈宝龙教授课题组长期从事铁磁性非晶纳米晶合金结构调控与磁学力学性能研究，近期开展铁磁性非晶与高熵合金电解水制氢、超高温熵控合金与陶瓷的制备与力学性能研究。沈宝龙教授先后承担国家863计划项目（2项）、国家自然科学基金项目（面上、重点（2项）、杰青）、国家重点研发计划项目、军委科技委项目（前沿科技创新项目、基础加强计划重点基础研究项目课题）、国防科工局军品配套科研项目课题、中科院项目（重要方向性项目、科研装备研制计划项目）、浙江省项目（磁性材料重点创新团队、磁性材料及其应用技术重点实验室建设）、江苏省项目（科技成果转化专项资金项目、重点研发计划项目（产业前瞻与关键核心技术））等多个重要科研项目。在Nature Mater., Advanced Mater., Mater. Today, Nano Lett., Small, Acta Mater., J. Mater. Chem. A, Nano Res., ACS Materials Lett., J. Mater. Sci. Technol., Corros. Sci., Appl. Phys. Lett.等刊物发表学术论文300余篇。获授权中国发明专利27件、日本发明专利7件，美国发明专利1件。

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