Nature Materials:自然混合原则设计出高塑性铸造难熔高熵合金
2023-01-03 15:48:43 作者: 材料人 来源: 材料人 分享至:

 

  【成果导读】  

 

高熵合金的不断发展为结构和功能材料的开发提供了新的机会。耐火难熔高熵合金(RHEAs)是高熵合金家族的一个重要子集,自首次单相体心立方(bcc)结构的第一个实例被发现以后,引起了科学家越来越多的兴趣。高熵难熔合金(RHEA)的高温屈服强度可以很好的保存,具有较高的稳定性。但是目前,难熔高熵合金的开发遇到了一些瓶颈:(1)大多数报道的难熔高熵合金在环境温度下表现出极低的拉伸延展性;(2)由于难熔元素扩散动力学的迟滞,微观结构的均匀化很受挑战;(3)在中间温度下抗氧化性能不足严重阻碍了热加工处理的应用。由于这些挑战和缺乏足够复杂的热力学-动力学研究基础,RHEA的应用潜能还没有被完全开发。本工作通过应用cantor的方法,利用耐火元素之间的自然混合特性来最大限度地减少铸件偏析,从而开发出一种RHEA,具有高温强度以及塑性和强度的理想组合。

  【成果掠影】  

 

近日,来自麻省理工学院的Cemal Cem Tasan教授利用难熔元素之间的自然混合特性,设计了一种Ti38V15Nb23Hf24难熔高熵合金,该合金在铸态下具有>20%的拉伸延展性,在高温下表现出优异的物理化学稳定性。在多个长度尺度上对潜在变形机制的研究表明,一种罕见的β′相在这种合金的力学响应中起着主导性的作用,其极大的提高了合金的加工硬化能力,还具有防止元素快速扩散的能力。这些结果揭示了自然混合倾向在加速高熵合金发现方面的有效性。相关成果以“Natural-mixing guided design of refractory high-entropy alloys with as-cast tensile ductility”为题发表在国际材料顶刊Nature Materilas期刊上。

 

  【核心创新点】  

 

(1)巧妙的利用难熔元素之间的自然混合特性,设计出一种Ti38V15Nb23Hf24难熔高熵合金;

(2)发现一种罕见的β′相,具有优异的高温物理-化学稳定性;


  【数据概要】  

 

图1 耐火元素成分搜索策略;a) RHEA的铸态微观组织,由九种相同原子比例难熔元素组成。EDS结果显示了四个相偏析区域的存在,分别富集Ti、Mo、Cr和Hf;b) 四种合金的铸态显微组织;c) 再结晶Ti38V15Nb23Hf24 RHEA的微观结构表征,其组成继承自a中最大的单相区(记为Ti-V-Nb-Hf) ;© 2022 Springer Nature

图2 设计的Ti38V15Nb23Hf24 RHEA的力学行为;a)室温下单轴拉伸性能。Ti38V15Nb23Hf24 RHEA在铸态和均质-再结晶处理后均表现出优异强度-塑性组合;插图显示了与文献相比,目前两个RHEA的比屈服强度(σys/ρ)和断裂伸长率(εf)之间的理想协同作用的Ashby图;b)应变硬化率与局部应变剖面图。插图显示了两个RHEA在缩颈起始点(光环圈)和断裂前的局部应变剖面。© 2022 Springer Nature

图3 Ti38V15Nb23Hf24 RHEA的变形机制研究;a)局部应变水平为~10%时表面台阶的形态(见黄色箭头);b) ECCI和TEM表征位错构型。左图:低倍率ECCI显微照片,显示在局部应变水平为~3.0%时存在沟道带。右图:最上面一排的高倍ECCI显微照片显示了弯曲位错结构(黄色箭头突出显示),表明纳米尺度异质性的存在,底部的TEM BF图像验证了ECCI观测结果;c)定量评估由于沟道带形成的对比和局部取向差。d)EBSD IPF图、相图和GROD图表明,位错塑性变形发生在沟道带内,但没有机械孪生或相变的特征。© 2022 Springer Nature

图4 Ti38V15Nb23Hf24 RHEA结构异质性的原子尺度表征。a) HRTEM显微照片与相应的FFT模式表明存在bct结构的纳米级沉淀物;从实测的FFT图形和模拟的FFT图形性特征表明,纳米沉淀物的晶体结构为c轴收缩的bct结构,其晶格常数aβ0'与基体bcc晶格相同;b) APT图。等成分面证明了成分的非均质性。c)沿着b中选定的粒子获得的近似值,显示bcc矩阵和bct沉淀物之间的元素分配特征。d)左边为纳米沉淀物结构变形机理的定性说明。右边显示的是一系列扭曲区域的HRTEM显微照片。随着电子束退火时间的延长,该区域经历了结构恢复,逐渐改善了局部晶格周期性,支持了所提出的析出-结构畸变机制。e) TEM BF(接近双光束条件)和从变形试样中拍摄的相应DF显微照片。© 2022 Springer Nature

 

  【成果启迪】  


道法自然,巧妙的利用各元素的特性,采用自然法则开发高熵合金,是一种非常有前景的结构和功能材料发展策略。

论文详情:

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0750-4

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