难熔多主元合金（难熔MPEA或RMPEA）由于其在高温下的高强度，近年来引起了人们的广泛关注。MPEA设计背离了传统的合金结构设计智慧，从历史上看，结构合金含有60 - 70原子百分比(at.%)或更多的单一元素，仅为特定性能优化而添加少量其他元素。然而，MPEA通常是几乎等原子的，因此没有基体合金元素。这种新颖的合金设计方法提供了一个广阔的探索空间，超越了主要的等原子成分。RMPEA的拟议工业应用包括核反应堆系统和各种推进系统：飞机发动机组件、火箭和高超声速飞机。由于在这些应用环境中的设计推动了更高的操作温度和机械要求，因此需要对于高熔化温度的候选材料同时提供强度和损伤容限。

固溶体HfNbTaTiZr合金于2011年首次开发，随后因其大量的室温延展性而引起了极大的兴趣，这对于在极端环境中使用的组件避免灾难性故障至关重要。RMPEA的延展性是重要的，因为它可以提高部件制造的容易程度，例如通过冷轧或热轧来生产定制的微结构。其他加工路径，如挤压或3D打印也需要一定程度的拉伸延展性。此外，HfNbTaTiZr合金具有强度和拉伸延展性的理想组合，尽管与其他体心立方(BCC)金属类似，它会随着温度的升高而急剧软化。

HfNbTaTiZr是HfNbTaTiVZrMPE家族的一员，与含Cr、Mo和W的材料相比，HfNbTaTiZr在室温下始终表现出良好的拉伸延展性。尽管拉伸延展性是RMPEA合金设计的一个强大动机，但很少有关于RMPEA的拉伸测试的报道，而且这些材料在相关温度范围内的拉伸行为尚不清楚。最新的RMPEA力学性能汇编，包括截至2020年出版年度的记录，报告了20种独特成分的400多个压缩性能记录和不到40个拉伸记录。此外，除了研究人员报道的HfNbTaTiZr在300 - 550℃温度下的拉伸性能外，RMPEA的拉伸性能仅在室温及以下。虽然最近对RMPEA的研究主要集中在室温延展性上，但商用飞机部件在运行期间可以经历从54℃到1650℃的广泛温度范围，了解力学性能如何随温度变化对指导这些材料的未来发展至关重要。

先前的研究发现，在HfNbTaTiZr中，在高温下可能会演化出额外的相，在800℃下，在不同的暴露时间(256 h ，100 h和24 h)后，以各种晶界沉淀产物的形式报告了相分离;BCC(基质)+BCC(沉淀)，BCC(基质)+HCP(沉淀)，BCC(基质)+BCC(沉淀)。然而，报道的这些晶界沉淀物的晶体结构差异及其对HfNbTaTiZr拉伸力学行为的影响尚不完全清楚。

HfNbTaTiZr作为延展性RMPEA的典范材料，能够研究RMPEA的温度依赖性行为，同时继续探索这些材料的更广阔的组成空间。加州大学圣巴巴拉分校材料系Leah H.Mills研究团队考察了具有重结晶微观结构和低间隙含量的热机械加工HfNbTaTiZr在室温、800 °C和1200°C下的拉伸行为。在事后通过扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）检查断裂模式。表征了高温变形行为，包括动态再结晶和变形纹理。此外，通过SEM和透射电子显微镜（TEM）技术确定了中间温度暴露后在晶界观察到的沉淀的组成和顺序。在中间温度下退火的材料的机械响应也通过纳米压痕在晶界附近局部探测。最后，这些实验结果与ThermoCalc热力学软件预测的相位平衡进行了证实。本研究结果突出了相和微观结构演变对HfNbTaTiZr合金在与其应用相关的温度下的张力力学响应之间的相互作用。相关研究成果以题“ Temperature-dependent tensile behavior of the HfNbTaTiZr multi-principal element alloy ”发表在国际期刊Acta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422009934

图1

将HfNbTaTiZr在受拉时的屈服强度(左)和失效时的工程应变(%)(右)与之前报道的文献中受拉和压缩时的结果进行比较，分别用紫色五边形和绿色圆圈表示。

图2

在（A）室温、（B） 800 ◦C 和（C） 1200 ◦C 下测试的 HfNbTaTiZr 拉伸的真实应力-应变曲线。请注意，所有真实应变轴都没有缩放到相同的值。所有样品在宏观屈服后经历了从 ε = 10−2 s -1到10−1 s -1的应变率变化。屈服强度和失效时工程应变的测量值列于表2中。

图3

（A）在室温、800°C和1200°C下测试的样品全断裂表面的比较。所有三个样品都是按比例缩放的，但室温和1200 ◦C样品的横截面积分别表现出中等和显着的减少。（B–D）通过埃弗哈特-索恩利探测器（ETD）从部分断裂表面收集的死后二次电子（SE） SEM 显微照片分别揭示了室温、800 ◦C 和 1200 ◦C 拉伸加载后每个样品的失效模式。（E–G）事后EBSD数据集，通过EMSphInX根据水平加载方向和反极图（IPF）着色进行索引，从其断裂表面10 mm内的相同拉伸样品的抛光区域获得。所有SEM显微照片都使用相同的比例尺，同样适用于所有EBSD数据集。

图4

通过（A） STEM 高角度环形暗场（HAADF）对在 800 ◦C 下测试的样品拉伸的晶界进行检查，可发现沉淀。（早至周五）at.%中的ChemiSTEM EDS组成图突出显示了两种不同的沉淀物富集：一种富含NbTa，一种富含HfZr。调整了每张地图的颜色范围以改进其打印版本。

图5

（A，B）退火的HfNbTaTiZr中高体积沉淀部分的背散射电子（BSE）SEM显微照片，在晶界和晶内在800 ◦C下100小时。（B）在三相点交叉处确定了三个成分不同的区域 - 沉淀物（BCC1），耗尽区（BCC2）和中间区（BCC3）。（C） X射线衍射（XRD）光谱证实了拉伸变形前的单相BCC材料（上图）和具有不同晶格的三个不同的BCC相对应于在800◦C下退火100小时的材料参数（底部）。

图6

(A) HfNbTaTiZr样品在800℃时效100 h后晶界析出的STEM HAADF。%与(A)相同的位置。每张地图的颜色范围都进行了调整，以改善其打印版本。(G)从(a)中黑色箭头所示位置的晶界沉淀物中收集的SAED图案。将该SAED图案与[113]平面法线上的相邻晶粒结合索引，可以发现沉淀物是BCC，与晶粒不相干，如衍射反射处的近卫星所示。

图7

在 800 ◦C 下退火 100 小时后，HfNbTaTiZr 中三个不同区域的平均硬度（GPa） ±标准偏差和平均弹性模量（GPa） ±标准偏差。每个值都是通过在 200–300 nm 压痕深度处对单个压痕进行平均，然后每个区域平均 10 个压痕来确定的。

图8

(AA) EBSD 数据集 (A–F) 的位置分别位于距离断裂面约 7、11、20、30、40 和 50 mm 的量规部分，数据集 (G) 在 HfNbTaTiZr 拉伸的夹持部分在 1200 ◦C 下测试的样品。(H–M) UnRX grains 来自 (A–F) 数据集，分别根据指定的粒度 (GS) 进行分割。(A–E, H–L) 数据集大小为 500 × 500 μm，步长为 0.5 μm。(F, M) 数据集大小为 500 × 500 μm，步长为 1.5 μm。(G) 数据集大小为 1000 × 1000 μm，步长为 1 μm。(A–M) IPF 颜色的晶粒方向图参考水平 < 010 > 加载方向。在 OIM 分析期间选择的 2° 晶粒公差角。(N–S) unRX 晶粒中的变形纹理分别使用 (H–M) 中分割的晶粒计算。(T) 从 (G) 中的完整数据集计算的变形纹理。(U–Z) 动态再结晶 (DRX) 纹理使用从数据集 (A–F) 中分割的晶粒计算得出，晶粒取向分布 (GOS) 小于 2°。RX 晶粒的面积分数 (%) 及其各自的纹理图。(N–Z) 对应于纹理强度的相同对数色标。在 OIM 中通过使用以下参数计算广义球谐函数的级数展开来生成标准立体纹理图：5° 的分辨率、反转对称性、16 级数、5° 的高斯半宽度、无样本对称性和方向采样所有测量像素。

图9

(A) EBSD数据集，来自1200℃下测试的HfNbTaTiZr拉伸样品断口约7mm处的测量切片，也在图8A中提供。谷物方向图在IPF颜色参考水平010加载方向。OIM分析中选取的晶粒公差角为2。(B, D, F, H)从(A)中选择的颗粒方向图，也是参考水平010加载方向的IPF颜色。(C, E, G)分别为(B, D, F)区域角向偏差的颗粒参考方向偏差(GROD)图。(I)中鉴定的晶粒RX纹理。

图10

等原子 HfNbTaTiZr 组成的热计算模拟预测了 300–2500 ◦C 的平衡相。计算出的转化温度见表4。

图11

（A）在室温下测试的 HfNbTaTiZr 样品中三个晶粒三相交处的代表性 STEM HAADF 显微照片显示成分均匀，无晶界沉淀。（早至周五）化学STEM EDS以at.%映射，并调整了每张地图的颜色范围以改进其印刷版本。

总之，HfNbTaTiZr作为研究RMPEA力学性能的模型材料，发现了新的组成空间和高温体系。HfNbTaTiZr在室温下表现出良好的强度和延展性，但在800℃时拉伸延展性明显下降。这种塑性下降与晶界析出有关，导致拉伸载荷下的晶间破坏。晶界处的析出物由两种类型组成:一种是富Ta、nb的BCC析出物，另一种是富Zr、hf析出物。热计算证实了实验中观察到的BCC和HCP沉淀的存在。在1200℃时，由于拉伸加载过程中微观组织的动态恢复和部分DRX，合金表现出较高的延性。ThermoCalc计算预测，在此温度下，材料以单相固溶体BCC合金形式存在。本研究中提出的证据表明，在使用时，需要控制沉淀和再结晶，同时考虑到潜在的加工和组件操作温度范围。