北京理工大学：屈服1250MPa，延伸8%！开发具有室温拉伸延展性的高熵耐热合金！

导读：在难熔高熵合金（RHEAs）中添加抗氧化元素（如Al、Cr、Si）可提高其高温抗氧化性，但常降低室温延展性，这对RHEAs的进一步应用提出了极大挑战。在本研究确定了拉伸韧性 TiVNbTa，将其与 Si 合金化，然后通过简单的热轧工艺使最初脆性的 TiVNbTaSi0.1 韧性化。热加工有效地细化了 TiVNbTaSi0.1 的微观结构并产生了高密度的纳米硅化物，这有助于达到前所未有的机械性能，即约 1250MPa 的屈服强度和约 8% 的拉伸延展性。与报道的延展性 RHEA 相比，TiVNbTaSi0.1 以及 TiVNbTa 和 TiVNbTaSi0 均显示出优异的抗氧化性。TiVNbTaSi0.1 的这些卓越性能凸显了其在高温应用中的巨大潜力。

近几十年来，对难熔高熵合金 (RHEA) 的研究越来越多，因为它们在高温下具有前所未有的强度，这对于在喷气发动机和发电中的应用非常有吸引力，以提高其效率。然而，大多数 RHEA 的延展性（即加工性）较差，室温下压缩断裂应变 <10% ，这极大地阻碍了它们的应用。例如，NbMoTaW 和 VNbMoTaW 在 1600°C 下可表现出高达 400MPa 的屈服强度，远高于传统的镍基合金和难熔合金，但它们在环境压缩试验下仅显示约 2% 的断裂应变。已经付出了很多努力来开发可延展的 RHEA。

HfNbTaTiZr 及其衍生物包含 Ti、Zr 和/或 Hf 作为主要成分）是研究最广泛的 RHEA，可以表现出出色的拉伸延展性，断裂应变约为 15%。然而，这些合金显示有限的强度（~950MPa），在高贫相稳定性/介质的温度，和甚至是灾难性的氧化的温度范围内600-1000℃，这在高温下的应用中是不受欢迎的。最近，魏等人。设计了新型 TiVNbHf RHEA，具有约 16-22% 的优异铸态拉伸延展性和高达约 1000 MPa 的屈服强度。该体系的相稳定性和抗氧化性对 Ti/V 比敏感，与非等摩尔 Ti 38 V 15 Nb 23 Hf 24相比，等摩尔合金显示出较差的相稳定性和增加的氧化。TiVNbTa RHEAs 是另一种据报道具有延展性的系统，因为它们具有高压缩应变极限（> 30% ），尤其是断裂韧性四点弯曲试验表明，而这些合金的力学性能从未通过拉伸试验进行评估，其抗氧化性和高温相稳定性仍有待研究。

在本文中，北京理工大学使用拉伸试验仔细研究了等摩尔 TiVNbTa 和的TiVNbTaSi RHEA。硅作为添加剂，可以降低合金的密度，提高强度，提高合金的抗氧化性，在传统的难熔合金中得到了广泛的应用，如Nb-Si、Nb-钛硅，钼硅硼 。纳米级 硅化物的形成和分布在 TiVNbTaSi 中通过热加工得到有效控制，可以显着增强其强度-塑性协同作用。TiVNbTa 首次被证明具有约 14% 的拉伸延展性。Si的添加可以有效地提高合金的抗氧化性和强度，同时由于形成硅化物共晶导致铸态脆性。相关研究成果以题“Designing TiVNbTaSi refractory high-entropy alloys with ambient tensile ductility”发表在国际著名期刊Scripta materialia上。论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646221005108

图1。(a) TiVNbTa (EM) 和 (b) TiVNbTaSi 0.1 (SiO1) 的背散射电子 (BSE) 图像和 EPMA-WDS 图。(c) (b) 中典型暗相区域的高倍放大图像。(d) EM 和 SiO1 的XRD图。(e)铸态 SiO1 的EBSD图和 (f) TEM 图像。A 和 B 是(f) 中标记的区域的相应SAED 模式。

图2。热轧后TiVNbTaSi 0.1合金的BSE 图像和相应的EBSD图，厚度减少量分别为 (a)-(c) 60%、(d)-(f) 80% 和 (g)-(i) 85%。(j)-(l) HR85 中沉淀纳米硅化物的TEM 图像和SAED 图案。

不同加工状态的TiVNbTa和TiVNbTaSi 0.1合金的拉伸性能如图3所示。等摩尔 TiVNbTa (EM) 表现出约 720MPa 的屈服强度和以约 14% 的拉伸伸长率表示的优异延展性（图 3（b）中的黑色数据点），对应于显示大量凹痕的典型延性断裂表面（图 3 （图 3））g) 和 (h))。这种良好的拉伸延展性从未在以前的研究中展出上TiVNbTa 。随着 Si 的加入，铸态 SiO1 的屈服强度显着增加到约 1120MPa，而其延展性降低到约 1.4%，伴随着图 3（c）和（d）所示的解理断裂。这应该归因于图 1（b）中所示的 M 5 Si 3共晶网络，它提高了强度，但也提供了使延展性恶化的裂纹成核位置和传播路径。

图3。(a) TiVNbTaSi 0.1在铸态和热轧状态下的典型应力-应变曲线和 (b)拉伸性能。(b) 中的平均值和标准偏差来自每种合金的 3 次测量。(c)、(d) 铸态 TiVNbTaSi 0.1 的典型断口形貌；(e)、(f) HR85；(g), (h) 铸态 TiVNbTa 样品。

图4。TiVNbTa (EM)和HR85的抗氧化性和相稳定性。(a)不同温度下质量随暴露时间的变化。(b)两种合金在不同温度下暴露2h后的形貌。800°c -2h (c) EM和(d) HR85合金的显微组织。用EDS (EM)和EPMA-WDS (HR85)测量元素图。(e) EM和TiVNbTaSi0.1平衡凝固路径的计算。(f)-(h) EM和(i)-(k) HR85在600°C、800°C和1000°C退火50h后的BSE图像显示没有额外的相。

TiVNbTaSi 0.1 的这种抗氧化性/强度-延展性权衡通过简单的热轧工艺解决了纳米硅化物沉淀并显着细化微观结构，因此生产出具有拉伸屈服强度~1250MPa和延展性~8%的合金。TiVNbTa 和 TiVNbTaSi RHEA 在 500 °C 以上的温度下都表现出出色的相稳定性。

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