西安交大：突破傳統(tǒng)認知！跨溫域難熔高熵合金領(lǐng)域取得新進展

在航空航天、核能以及先進制造等前沿領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)材料需要在從深冷到高溫的復(fù)雜環(huán)境中長期穩(wěn)定服役。然而，傳統(tǒng)合金普遍存在“強度–韌性”矛盾：強度提升往往伴隨延展性降低，且在高溫下強度衰減尤為明顯。難熔高熵合金（RHEAs）由Nb、Ta、Mo、W、Hf等高熔點元素組成，憑借其優(yōu)異的高溫性能備受關(guān)注，但迄今仍難以在寬溫域內(nèi)兼顧高強度與高延展性。近年來，異質(zhì)結(jié)構(gòu)金屬材料因其可誘發(fā)“異質(zhì)變形誘導(dǎo)強化（HDI）”效應(yīng)而備受矚目，為解決強度–韌性矛盾提供了新思路。

基于這一理念，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室材料創(chuàng)新與設(shè)計中心（CAID）丁俊教授、馬恩教授團隊設(shè)計出一種可冷加工的Nb–Ta–Ti–Hf基難熔高熵合金（成分：Nb??.?Ta??Ti??Hf??Re?.?B?.?）。研究人員采用冷軋+退火的熱機械處理工藝，成功構(gòu)筑出一種熱穩(wěn)定的異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)，由納米級超細晶、細晶和殘余變形晶協(xié)同組成，形成力學性能梯度（圖1）。實驗結(jié)果顯示，該合金在77 K低溫下抗拉強度超過1.8 GPa，延展率保持在約10%；在973 K高溫下仍能維持超過900 MPa的抗拉強度，刷新了單相固溶體類合金的紀錄。進一步的原位力學和顯微分析揭示，這種優(yōu)異性能源于HDI強化機制：在軟硬區(qū)域的變形過程中發(fā)生應(yīng)變分配與位錯累積，在界面處形成反向與正向內(nèi)應(yīng)力，顯著提升了加工硬化能力（圖2）。值得強調(diào)的是，該機制不僅在室溫和低溫下有效，而且在高溫條件下依然能夠持續(xù)發(fā)揮作用。

該研究首次證明了HDI強化機制在高達973 K條件下仍然有效，突破了傳統(tǒng)認知。更為重要的是，研究發(fā)現(xiàn)這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)在973 K長時間退火后仍保持穩(wěn)定，得益于此難熔高熵合金的高熔點及多主元體系帶來的慢擴散效應(yīng)。這一特性使得合金在高溫環(huán)境下仍能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學性能，并展示了一種可推廣的合金設(shè)計思路：通過調(diào)控微結(jié)構(gòu)異質(zhì)性實現(xiàn)跨溫域的強度–韌性協(xié)同。這一成果為下一代極端環(huán)境服役材料的研發(fā)提供了新的方向與重要啟示。

圖1. 異質(zhì)結(jié)構(gòu)難熔高熵合金的微觀組織和寬溫域范圍內(nèi)拉伸力學性能

圖2.異質(zhì)結(jié)構(gòu)難熔高熵合金在不同溫度下的斷裂樣品的EBSD和TEM表征

日前，該研究成果以《熱穩(wěn)定性異質(zhì)晶粒難熔高熵合金在77 K至973 K溫度范圍內(nèi)具有卓越強度》（Thermally stable heterogeneous-grained refractory high-entropy alloy offering superior strength from 77 to 973 K）為題發(fā)表于《納米快報》（Nano Letters）。西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室為論文第一通訊單位，西安交通大學材料科學與工程學院博士研究生安雅瓊為論文第一作者，材料學院丁俊教授、天目山實驗室章程教授和加州大學伯克利分校 Robert Ritchie 教授為共同通訊作者，合作者還包括材料學院馬恩教授。該工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金及國家級青年人才項目的資助支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c04691

本文來自：西安交大。