第一作者：袁小园；

通讯作者：吴渊、吕昭平

通讯单位：北京科技大学

DOI: 10.1016/j.jmst.2022.12.025

难熔高熵合金作为高温材料具有巨大的应用潜力，其力学性能的可重复性和稳定性是实际应用的关键。然而，在本工作中，我们发现，即使使用高纯度的原材料，TiZrHfNb高熵合金的力学性能也随着原料中杂质含量的不同而有很大的变化。具体来说，屈服强度的波动主要是由于杂质氧元素含量的不同引起的强烈的间隙固溶强化效应而导致，而塑性的恶化与类金属元素B、C、Si的含量密切相关。分析表明，类金属元素不仅在晶界处发生偏聚，而且增强了Zr和Ti的聚集。这种共偏析导致了强（Zr、Ti）类金属键的形成，导致晶界脆化和脆性断裂。我们目前的工作表明，在生产过程中需要严格控制难熔高熵合金中的杂质含量，以提高其机械性能的稳定性。

这些年，难熔高熵合金（HEAs）由于其突出的特性，如高硬度、良好的氧化和耐腐蚀，优异的高温强度和结构稳定性引起了广泛的关注。特别是具有简单体心立方结构的TiZrHfNbTa和TiZrHfNb高熵合金，在环境温度下具有良好的冷加工变形能力，使得它们在实际工业应用中可以作为结构材料进行复杂的变形和热处理。因此，这些难熔高熵合金在高温领域具有巨大的应用潜力。

众所周知，金属材料的使用寿命和性能稳定性对原料中的杂质含量及其制造工艺很敏感。例如，在超高强钢和航空钛合金中，需要严格控制S、O、C、P、N等非金属杂质的含量，避免晶界（GB）脆化。有趣的是，不同研究小组报告的TiZrHfNb高熵合金的屈服强度差异显著：雷智峰等人的研究中的屈服强度为750 MPa，而在吴一栋等人的工作中使用的原材料纯度为99.8 wt%，屈服强度增加到879 MPa。显然，强度的如此大的变化不利于实际应用。因此，了解导致观察到的屈服强度的巨大变化的潜在原因是非常重要的。

一般来说，B、C、O、Si等杂质在Ti、Zr、Hf和Nb金属中难以去除。因此，从不同供应商，甚至不同批次购买的这些过渡金属中微量元素的类型和总量可能会发生偏差。在这项工作中，我们试图阐明导致TiZrHfNb高熵合金力学性能变化的潜在机制。结果表明，TiZrHfNb高熵合金的屈服强度和塑性强烈依赖于杂质的含量，特别是O、C、B和Si。强度的变化主要是由于原材料和制造工艺中氧污染引起的间隙固溶强化效应，而塑性波动源于(Zr/Ti)-(C/B/Si)共偏析引起的晶界脆化。我们目前的研究结果不仅对体心立方难熔高熵合金的力学性能方面的质量控制很重要，而且为这些高熵合金的工业制造提供了指导。

通过以上实验和计算的结果表明，用不同批次的高纯度原料制备的单相TiZrHfNb高熵合金的屈服强度和延伸率存在显著差异。分析表明，屈服强度的增加主要是由于O的污染，而高含量的O导致了较强的间隙强化。B、C和Si的杂质在晶界处与金属成分Zr和Ti产生了共偏聚效应，形成较强的Zr-X和Ti-X（X=B/C/Si）键，具有很大的方向性。这种共偏聚导致晶界脆化，然后裂理断裂，明显降低了塑性。不同的共偏聚程度导致了不同批次原料制备的高熵合金的塑性的变化。我们的研究表明，在难熔高熵合金中必须严格控制B、C和Si的类金属杂质，今后关于如何缓解杂质引起的晶界脆化的工作值得进一步研究。

北京科技大学吕昭平教授课题组长期致力于高熵合金，非晶合金，超高强度钢，新型奥氏体耐热钢，多孔材料，三维原子探针以及计算材料学领域的研究工作。着重围绕新一代金属结构材料，尤其是合金的强韧化方面，通过合金设计，广泛利用先进的技术表征手段，建立组织与性能关联，进而获得优化的材料结构与性能。课题组目前承担数项纵向与横向课题，基础研究与产业化并重，多项工作已发表在高影响力期刊上，期待与广大学子和学者的交流与相互学习。

X.Y. Yuan, Y. Wu, M. Zhou, X.J. Liu, H. Wang, S.H. Jiang, X.B. Zhang, H.H. Wu, X.C. Liu, Z.P. Chen, X.Q. Xu, Z.P. Lu, Effects of trace elements on mechanical properties of the TiZrHfNb high-entropy alloy, J. Mater. Sci. Technol. 152 (2023) 135–147.