第一作者：崔丁聰;通訊作者：王錦程，何峰
通訊單位：西北工業(yè)大學(xué)
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.01.038
01?全文速覽
本文瞄準(zhǔn)先進金屬結(jié)構(gòu)材料對于強塑性統(tǒng)一的迫切需求，設(shè)計出一種新型難熔高熵合金-Ti41V27Hf15Nb15O2，該合金在已報道的高熵合金中表現(xiàn)出極高的拉伸屈服強度(~1.5 GPa) 和良好的延伸率(~12%)組合，有望突破難熔高熵合金的性能桎梏與應(yīng)用瓶頸。
02?研究背景
難熔高熵合金(RHEAs)具有高熔點、優(yōu)異的高溫強度等特點，在航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的高溫應(yīng)用前景。但大多數(shù)RHEAs室溫塑性差，導(dǎo)致其加工成型與工程化應(yīng)用舉步維艱。
03?本文亮點
考慮到RHEAs的組成元素對氧原子非常敏感，在制備過程中氧原子的攝入不可避免，且往往會惡化其力學(xué)性能，是否可以變“害”為“寶”的呢?本文先探明了氧元素對于RHEA子系二元合金體系的影響機制，表明氧摻雜可以改變其凝固行為與相穩(wěn)定性?；诖?，以具有塑性的TiVHfNb系RHEAs作為模型合金，通過不同含量的氧摻雜影響其相穩(wěn)定性，達到調(diào)控凝固組織的目的。
04?圖文解析
研究中發(fā)現(xiàn)2 at.%的氧摻雜可以誘導(dǎo)TiVHfNb RHEA產(chǎn)生納米級的調(diào)幅分解雙相。如圖1的TEM圖像所示，Ti41V27Hf15Nb15O2合金形成了納米級的條狀析出物，衍射分析確定不同襯度相(基體β和析出物β*)都屬于BCC相，表現(xiàn)出調(diào)幅分解組織的典型特征。幾何相位分析發(fā)現(xiàn)β*相與β相的晶格錯配導(dǎo)致了不均勻的局部應(yīng)變分布。
圖1 氧摻雜前后TiVHfNb難熔高熵合金的納觀組織
圖2 氧摻雜TiVHfNb難熔高熵合金的熱力學(xué)相圖與其調(diào)幅分解溫度隨O含量與Ti含量的變化曲線
為了探究TiVHfNb難熔高熵合金調(diào)幅分解的熱力學(xué)本質(zhì)，通過Thermocalc軟件分析了氧對TiVHfNb合金調(diào)幅分解溫度(Tsp)的影響，見圖2。隨著氧含量的增加，BCC相對應(yīng)的Tsp顯著增加，2 at% 氧摻雜即可使Tsp提高~545 K，極大拓展了合金的調(diào)幅區(qū)間，促進了調(diào)幅分解的發(fā)生。
圖3 調(diào)幅分解型TiVHfNb系難熔高熵合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線及力學(xué)性能對比
測試氧摻雜前后TiVHfNb難熔高熵合金的室溫拉伸性能，以探究調(diào)幅結(jié)構(gòu)的強化效果。如圖3所示，Ti41V27Hf16Nb16基體合金的延伸率為~25%，屈服強度為~953 MPa。O摻雜后將屈服強度顯著提高到~1517 MPa，結(jié)合晶格錯配強化和模量增幅強化的調(diào)幅強化是合金強度大幅提高的原因(強化機制分析請見文獻)。圖4所示為難熔高熵合金氧摻雜前后的位錯組態(tài)，平面滑移向波狀滑移的轉(zhuǎn)變保證了Ti41V27Hf15Nb15O2在超高強度下仍具有良好的延伸率(~12%)。
圖4 氧摻雜前后TiVHfNb難熔高熵合金的變形與斷裂機制
圖5 基于原子對混合焓值設(shè)計調(diào)幅型難熔高熵合金的策略示意圖
最后，作者探討了不同原子對的混合焓值對于難熔高熵合金調(diào)幅分解的影響，提出采用與難熔金屬元素混合焓值高的N，Al等元素可以有效調(diào)控調(diào)幅分解組織(圖5)，此策略有望促進難熔高熵合金作為超高強結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展與應(yīng)用。
05?結(jié)論展望
研究發(fā)現(xiàn)2 at.%的氧摻雜可以誘導(dǎo)TiVHfNb RHEA產(chǎn)生納米級的調(diào)幅分解雙相，并借助于熱力學(xué)計算闡明了調(diào)幅分解的來源;結(jié)合X射線衍射、透射電子顯微鏡(TEM)等技術(shù)進行強韌化機制的分析，表明調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)助力實現(xiàn)了超強高韌RHEA。最后，作者提出了基于混合焓值的調(diào)幅型RHEA設(shè)計策略，為新型RHEA的研發(fā)提供了新的見解。
06?課題組簡介
西北工業(yè)大學(xué)材料微觀組織計算與合金設(shè)計課題組，團隊由王錦程教授負責(zé)、現(xiàn)有“千人計劃”首席專家 1 人、國家級青年人才 1 人，教授 3 人、副教授3 人。課題組以凝固技術(shù)國家重點實驗室的學(xué)科發(fā)展為依托，長期開展材料微觀組織計算及合金設(shè)計方面的科研工作，主要具體研究方向包括：凝固過程及其微觀組織數(shù)值模擬、納米多晶組織演化及其變形機制以及高性能金屬材料及合金設(shè)計等?，F(xiàn)有在讀博士研究生 10 余人、碩士研究生 30 余人。課題組近五年來先后承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項目、973 計劃項目、國防預(yù)研、航空基金等國家及省部級科研項目 20 余項。獲陜西省科學(xué)技術(shù)二等獎 1 項，陜西省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)一等獎 2 項，授權(quán)國家發(fā)明專利 8 項。近年來，課題組共發(fā)表 SCI 收錄學(xué)術(shù)論文 120 余篇，其中大部分發(fā)表在 Nature Communications, Acta Mater，International Journal of Plasticity，Scripta Mater，PRE，J Cryst Growth 等本研究領(lǐng)域頂級期刊上。
多年來，課題組以培養(yǎng)創(chuàng)造性人才為已任，培養(yǎng)了多名優(yōu)秀畢業(yè)生，其中包括多名陜西省優(yōu)秀畢業(yè)生、洪堡獎學(xué)金獲得者、香江學(xué)者等。組內(nèi)會定期開展傳幫帶、聚餐與團建活動，師生同門之間關(guān)系融洽。同時，課題組非常注重國際與國內(nèi)交流與合作，與日本物質(zhì)材料研究機構(gòu)(NIMS)、日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)、德國卡爾斯魯厄理工大學(xué)(KIT)、德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)(DUT)、韓國浦項理工大學(xué)(POSTECH)、香港城市大學(xué)等國際知名研究機構(gòu)保持密切的國際合作關(guān)系。支持鼓勵學(xué)生參加國際會議、與國外大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)及國外短期學(xué)術(shù)訪問等國際學(xué)術(shù)交流。
因?qū)W科發(fā)展和研究需要，本組長期招收博士后和科研助理。崗位要求與待遇詳見課題組網(wǎng)站鏈接(http://www.jchwang.com)。有意者請按要求把應(yīng)聘材料發(fā)送至何峰老師郵箱：fenghe1991@nwpu.edu.cn郵件標(biāo)題以"應(yīng)聘博士后/科研助理+本人姓名"命名，本招聘長期有效，歡迎共襄盛舉!
07?引用本文
Dingcong Cui, YuyuZhang, LinxiangLiu,Yue Li, Lei Wang, Zhijun Wang, Junjie Li, Jincheng Wang*, Feng He*, Oxygen-assisted spinodal structure achieves 1.5 GPa yield strength in a ductile refractory high-entropy alloy, J. Mater. Sci. Technol. 141 (2023) 193-198.
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