香港城大、松山湖材料实验室《Scripta Materialia》：基于非传统氧化物掺杂效应设计高强、高韧、轻质中高熵合金

2024-05-16 14:42:05 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

研究背景：高熵或中熵合金（M/HEAs）由于其潜在的突出机械性能、高耐腐蚀性和良好的热稳定性，在材料科学领域引起了广泛的关注。例如，FeCoNiCr基M/HEAs可以在低温或高温环境下表现出较好的强度。然而，由于其较高的质量密度（通常高于8.0g/cm³），这种类型的M/HEA仍然具有一定的局限性，严重限制了其实际应用。类似的，Ti30Zr30Hf16Nb24 HEA表现出约800 MPa的相对较高的屈服强度和约17%的均匀应变。然而，它的质量密度高达9.4 g/cm³。相比之下，Al17Ni34Ti17V32合金的密度相对较低，仅为6.2 g/cm³，且在室温和高温下都具有良好的抗压强度。然而，迄今为止，其拉伸性能仍不清楚。如何在轻质M/HEA的延展性和强度之间实现令人满意的强韧性结合仍然是一个艰巨的挑战。综上所述，开发具有低质量密度的高性能轻质M/HEA是提高能源利用效率的当务之急，尤其是在航空航天和汽车等行业。

引入陶瓷颗粒可以钉扎晶界和位错，已被证明是提高合金强度的有效策略之一。例如，Taha等人开发了一种新型的铜基合金，该合金通过粉末冶金以ZrO2颗粒作为第二相进行增强，获得了55～79MPa的压缩屈服强度和0.47～0.35%的塑性应变。此外，将Al2O3颗粒作为第二相引入HfNbTaTiZrV HEA，其压缩屈服强度从1.3 GPa提高到2.7 GPa，但塑性应变从32%降低到了4%。由此可见，在合金中引入陶瓷颗粒通常会带来一个重大问题，即导致合金变脆。一方面，大多数陶瓷颗粒本质上是坚硬和脆性的，这使得它们在外部负载时容易断裂。另一方面，合金基体和陶瓷相之间较差的塑性相容性和较弱的结合，导致沿其界面严重的局部应力集中和裂纹形成，使延展性较差的合金显著脆化。

为了解决这一关键问题，香港城市大学和松山湖材料实验室联合领导的研究团队提出了一种消除陶瓷-金属材料界面的策略，通过不寻常的氧化物掺杂效应成功提高了轻质MEA的强度和延展性。研究中采用电弧熔炼技术进行了ZrO2掺杂工艺。与粉末冶金加工中陶瓷颗粒的典型观察不同，这里掺杂的ZrO2颗粒完全溶解在MEA中。ZrO2颗粒的存在深刻影响了沉淀行为和晶粒尺寸，最终影响了轻质MEA的强度和延展性。基于多尺度测试和分析，阐明了合金力学性能的强韧化机制。这些发现将有助于更好地理解和优化轻质MEA的微观结构和机械性能，从而为其在航空航天和汽车工业等各种应用中的应用奠定一定的基础。相关成果以“Developing strong-yet-ductile light-weight medium-entropy alloy via the unusual oxide doping effect”为题发表在国际学术期刊《Scripta Materialia》上。论文通讯作者为香港城市大学杨涛教授，第一作者为Xia Li,共同通讯作者为松山湖材料实验室柯海波教授。其他合作者包括辽宁材料实验室Shaofei Liu教授，松山湖材料实验室汪卫华院士等。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116141