西工大《JMST》：氧诱导调幅分解结构实现1.5GPa难熔高熵合金！

难熔高熵合金(RHEAs)具有高熔点、优异的高温强度等特点，在航空航天、核工业等领域展现出诱人的高温应用前景。但大多数RHEAs室温塑性差，导致其工程化应用举步维艰。西北工业大学王锦程教授团队瞄准先进金属结构材料对于强塑性统一的迫切需求，设计出一种新型难熔高熵合金-Ti41V27Hf15Nb15O2，该合金在已报道的RHEAs及其他高熵合金中表现出极高的拉伸屈服强度(~1.5 GPa) 和良好的延伸率(~12%)组合，有望突破RHEAs的性能桎梏与应用瓶颈。考虑到RHEAs的组成元素对氧原子非常敏感，在制备过程中氧原子的摄入不可避免，且往往会恶化其力学性能，该团队是如何变“害”为“宝”的呢？

首先，研究探明了氧元素对于RHEA子系二元合金体系的影响机制，表明氧掺杂可以改变其凝固行为与相稳定性。基于此，采用具有塑性的TiVHfNb系RHEAs作为模型合金，利用不同含量的氧掺杂影响其相稳定性，以此来调控组织。研究发现2 at.%的氧掺杂可以诱导TiVHfNb RHEA产生纳米级的调幅分解双相，并借助于热力学计算阐明了调幅分解的来源；结合X射线衍射、透射电子显微镜(TEM)等技术进行强韧化机制的分析，表明调幅分解结构助力实现了超强高韧RHEA。最后，作者提出了基于混合焓值的调幅型RHEA设计策略，为新型RHEA的研发提供了新的见解。研究成果以Oxygen-assisted spinodal structure achieves 1.5 GPa yield strength in a ductile refractory high-entropy alloy为题发表在Journal of Materials Science Technology上。论文第一作者为博士研究生崔丁聪，通讯作者为王锦程教授和何峰教授，西北工业大学为通讯单位。感谢西北工业大学校分析测试中心的样品表征协助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.01.038

如图1的TEM图像所示，氧掺杂TiVHfNb难熔高熵合金形成了纳米级的条状析出物，衍射分析确定不同衬度相(基体β和析出物β*)都属于BCC相，表现出调幅分解组织的典型特征。几何相位分析发现β*相与β相的晶格错配导致了不均匀的局部应变分布。

图1 氧掺杂前后TiVHfNb难熔高熵合金的纳观组织

图2 氧掺杂TiVHfNb难熔高熵合金的热力学相图与其调幅分解温度随O含量与Ti含量的变化曲线

为了探究TiVHfNb难熔高熵合金调幅分解的热力学本质，通过Thermocalc软件分析了氧对TiVHfNb合金调幅分解温度(Tsp)的影响，见图2。随着氧含量的增加，BCC相对应的Tsp显著增加，2 at% 氧掺杂即可使Tsp提高~545 K，极大拓展了合金的调幅区间，促进了调幅分解的发生。

图3调幅分解型TiVHfNb系难熔高熵合金的工程应力-应变曲线及力学性能对比

测试氧掺杂前后TiVHfNb难熔高熵合金的室温拉伸性能，以探究调幅结构的强化效果。如图3所示，Ti41V27Hf16Nb16基体合金的延伸率为~25%，屈服强度为~953 MPa。O掺杂后将屈服强度显著提高到~1517 MPa，结合晶格错配强化和模量增幅强化的调幅强化是合金强度大幅提高的原因(强化机制分析请见文献)。图4所示为难熔高熵合金氧掺杂前后的位错组态，平面滑移向波状滑移的转变保证了Ti41V27Hf15Nb15O2在超高强度下仍具有良好的延伸率(~12%)。

图4氧掺杂前后TiVHfNb难熔高熵合金的变形与断裂机制

图5基于原子对混合焓值设计调幅型难熔高熵合金的策略示意图

最后，作者探讨了不同原子对的混合焓值对于难熔高熵合金调幅分解的影响，提出采用与难熔金属元素混合焓值高的Si，N，Al等元素可以有效调控调幅分解组织(图5)，此策略有望促进难熔高熵合金作为超高强结构材料的发展与应用。综上所述，本研究提出了氧诱导调幅分解实现超强高韧难熔高熵合金的设计策略，并阐明了其热力学本质和强韧化机制。

西北工业大学材料微观组织计算与合金设计课题组长期深耕于材料多尺度模拟计算、材料基因工程与合金设计、高熵合金及增材制造等领域，在金属领域顶刊Nature Communications/Acta Materialia/Additive Manufacturing/Journal of Materials Science Technology上已发表论文30余篇(西工大顶刊：新策略！无需后续热处理，显著提升增材制造合金强塑性)。课题组网站：http://www.jchwang.com

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。