田納西大學(xué)&卡內(nèi)基梅隆大學(xué)《Advanced Materials》:一種新型難熔高熵合金設(shè)計(jì)！
2021-12-11 來(lái)源：GS_Metals
在航空航天工業(yè)中，由于對(duì)提高燃料效率和環(huán)境友好性的要求使得材料要具有特殊的高溫強(qiáng)度。傳統(tǒng)的高溫合金，如鎳基合金，在接近熔點(diǎn)的高溫下操作無(wú)法滿足強(qiáng)度要求。因此，當(dāng)務(wù)之急是通過(guò)新的合金設(shè)計(jì)理念來(lái)設(shè)計(jì)下一代高溫或難熔合金，以實(shí)現(xiàn)在極端條件下的應(yīng)用。近年來(lái)，具有廣闊成分空間的高熵合金（HEAs）的出現(xiàn)徹底改變了研究人員對(duì)于合金設(shè)計(jì)的策略，為探索先進(jìn)的耐高溫結(jié)構(gòu)材料提供了新的機(jī)會(huì)。含有高熔點(diǎn)元素的耐熱高熵合金（RHEAs）因其高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗熱軟化能力而備受關(guān)注。與傳統(tǒng)的難熔金屬和合金相比，由于其顯著的固溶強(qiáng)化和難熔元素潛在的緩慢擴(kuò)散，使得RHEAs在高溫下表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。然而，對(duì)于已報(bào)道的RHEAs來(lái)說(shuō)，雖然一定程度上表現(xiàn)出優(yōu)越的高溫強(qiáng)度，但在超過(guò)1173K的溫度下仍無(wú)法避免明顯的軟化問(wèn)題。
為了解決這一問(wèn)題，通過(guò)一些可控的設(shè)計(jì)原則可以克服RHEAs中的軟化現(xiàn)象。首先，RHEAs中大的原子尺寸和彈性模量不匹配可以在使得材料在高溫下保持高強(qiáng)度，但不能過(guò)度引入，因?yàn)檫^(guò)大的原子尺寸不匹配可能導(dǎo)致相分解，從而導(dǎo)致強(qiáng)度軟化。其次，彈性性能對(duì)溫度的不敏感是另一個(gè)關(guān)鍵因素，可以通過(guò)調(diào)整獲得特殊的高溫強(qiáng)度。最后，可以在體心立方（BCC） RHEAs中引入非螺紋性位錯(cuò)，以提高更多的高溫強(qiáng)化性能。
近日，田納西大學(xué)材料科學(xué)與工程系的研究人員聯(lián)合卡內(nèi)基梅隆大學(xué)物理系的研究人員設(shè)計(jì)了一種單相BCC結(jié)構(gòu)的新型難熔高熵合金，實(shí)現(xiàn)了高溫性能的顯著提升。新型的RHEA 含有等摩爾的Cr、Mo、Nb 和V元素，具有較大的原子尺寸和彈性模量失配，在高溫下呈現(xiàn)可靠的相穩(wěn)定性。研究成果以題“Superior High-Temperature Strength in a Supersaturated Refractory High-Entropy Alloy”發(fā)表在材料頂刊Advanced Materials。全文鏈接為：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102401
高溫結(jié)構(gòu)材料的熱穩(wěn)定相和微觀結(jié)構(gòu)是決定其能否長(zhǎng)期可靠使用的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)觀察其微觀組織可知，該合金在鑄態(tài)下具有BCC結(jié)構(gòu)的典型枝晶微觀組織。枝晶區(qū)域富含Mo和Nb元素，而枝晶間富含Cr和V元素，這表明在凝固過(guò)程中高熔點(diǎn)的Mo和Nb首先凝固，低熔點(diǎn)的Cr和V隨后進(jìn)行結(jié)晶。此外，在1000K和1100K下退火7天和1273K下退火21天后，枝晶形態(tài)和單相BCC結(jié)構(gòu)得以維持，表明該合金在其過(guò)飽和固溶體中穩(wěn)定到1273 K。隨后的力學(xué)性能測(cè)試顯示這種RHEA在室溫下具有很高的0.2%的屈服強(qiáng)度，即1518±38MPa。當(dāng)溫度超過(guò)773K時(shí)，觀察到鋸齒狀流動(dòng)，這可能是由于局部的異質(zhì)變形導(dǎo)致。值得注意的是，與773-1173K的溫度相比，1273K的鋸齒狀流動(dòng)變得不那么明顯，表明擴(kuò)散介導(dǎo)的變形機(jī)制可能變得重要，這會(huì)導(dǎo)致1273K的延展性和加工硬化率降低。盡管這種合金的屈服強(qiáng)度隨著溫度的升高而逐漸降低，但在1273K時(shí)仍保持高達(dá)1062±21MPa的屈服強(qiáng)度。
圖1 不同狀態(tài)下CrMoNbV合金的相和顯微組織
圖2 CrMoNbV合金的力學(xué)性能
通過(guò)用配對(duì)分布函數(shù)（PDF）研究了CrMoNbV合金在室溫和高溫下的局部晶格結(jié)構(gòu)可知，與其他報(bào)道的BCC型RHEA相比，本研究的RHEA表現(xiàn)出較大的原子尺寸不匹配，而且大的原子尺寸失配的趨勢(shì)與PDF確定的局部晶格應(yīng)變一致。此外該RHEA也表現(xiàn)出較高的模量失配，由于這兩種差異導(dǎo)致了直線位錯(cuò)發(fā)生扭曲或局部彎曲，使其運(yùn)動(dòng)阻力增大。因此大的原子尺寸和模量失配的組合共同影響高溫固溶強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的高溫強(qiáng)度。
圖3 用配對(duì)分布函數(shù)（PDF）和簡(jiǎn)化的偽二元模型研究了CrMoNbV合金在室溫和高溫下的局部晶格結(jié)構(gòu)
圖4 CrMoNbV合金的彈性性能隨溫度的變化
根據(jù)計(jì)算出的C11、C12和C44在高溫下的單晶彈性常數(shù)可知，當(dāng)溫度升高時(shí)，C11和C44略微下降，C12緩慢增加，顯示出該合金中彈性常數(shù)的弱溫度依賴性，而且溫度的升高也導(dǎo)致各向異性的逐漸喪失。在1273K，Zener各向異性比增加到0.82，表明材料在更高的溫度下趨向于各向同性。另外，第一原理計(jì)算也預(yù)測(cè)了C11和C44彈性常數(shù)作為溫度函數(shù)的類似趨勢(shì)，進(jìn)一步的研究也證明了該RHEA的楊氏模量和和剪切模量都有一個(gè)微弱的溫度依賴性。通過(guò)對(duì)合金進(jìn)行了TEM表征，在1173 K變形試樣中觀察到相當(dāng)多的釘扎位錯(cuò)和彎曲位錯(cuò)，對(duì)位錯(cuò)的強(qiáng)釘扎效應(yīng)表明位錯(cuò)之間存在強(qiáng)相互作用。換句話說(shuō)，在這種合金的高溫變形過(guò)程中，由于釘住而流動(dòng)性較差的非螺紋位錯(cuò)是主要的位錯(cuò)，這可能是導(dǎo)致優(yōu)異的高溫強(qiáng)度的關(guān)鍵所在。
圖5 CrMoNbV合金的透射電子顯微鏡（TEM）和原子探針層析成像（APT）表征
綜上所述，大的原子尺寸和彈性模量不匹配、彈性性能的溫度依賴性不敏感、非螺紋特征位錯(cuò)占主導(dǎo)地位這三個(gè)固有的合金特性已經(jīng)證明了它們?cè)诟纳芌HEA的高溫性能方面的作用，本研究也通過(guò)理論解釋了這種RHEA的特殊高溫強(qiáng)度。總的來(lái)說(shuō)，以上述三種合金特性為中心的RHEAs設(shè)計(jì)原則可以擴(kuò)展到其他旨在實(shí)現(xiàn)特殊高溫強(qiáng)度的合金體系。
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