Rare Metals 国防科技大学唐宇：通过稳定B2纳米析出物实现轻质难熔高熵合金的强韧化

学术 2024-11-11 17:48 北京

【文献链接】

Wang, RX., Shen, WJ., Chen, YJ. et al. Excellent ductilization and strengthening of lightweight refractory high-entropy alloys via stable B2 nanoprecipitates. Rare Met. (2024).

https://doi.org/10.1007/s12598-024-03032-w

【背景介绍】

引入B2有序结构可以有效提高轻质难熔高熵合金的力学性能。然而，(Zr，Al)富集的B2析出物通常会降低其塑性，因为它们的有序特征会在位错通过后被破坏。同时，局部化学有序结构(LCOs)由于体积小，往往不能提供足够的强化效果。为解决这些问题，本研究将Al添加到TiVNb合金中，生成稳定的B2纳米析出物。这种B2纳米析出物对成分变化有较大的容忍性，可以牢固而连续地钉扎位错，激活位错多滑移系，促进位错增殖。因此，TiVNbAl0.4轻质难熔高熵合金的屈服强度和断裂延伸率可分别增加35%和60%，强化效果远高于其他已报道的B2有序结构。同时，实现了比屈服强度和断裂延伸率之间良好的协同作用(170±1 MPa∙cm3∙g-1和32.40±0.4%)，优于大多数轻质难熔高熵合金。本文为优化轻质难熔高熵合金力学性能提供了一种有效范例。

【文章亮点】

1.为避免B2有序结构在位错通过后遭受破坏，在TiVNb基体中加入Al元素以诱导生成稳定的Al-Ti/V/Nb B2纳米析出物。

2.在TiVNbAl0.4轻质难熔高熵合金中，稳定的B2纳米析出物可以强烈地钉扎位错，激活位错多滑移系，促进位错增殖。因此，TiVNbAl0.4轻质难熔高熵合金具有优异的比屈服强度和断裂延伸率。

3.在TiVNbAlx (x = 0.2、0.4、0.6)合金中，随着Al含量的增加，B2有序相会由局部化学有序结构向纳米析出物转变，同时析出物体积分数也逐渐增大，合金力学性能相应地呈现先增加后降低的变化趋势。

【内容简介】

日前，国防科技大学空天科学学院唐宇教授课题组在Rare Metals上发表了题为“Excellent ductilization and strengthening of lightweight refractory high-entropy alloys via stable B2 nanoprecipitates”的研究文章，通过在TiVNb基体中添加Al元素以引入稳定的B2纳米析出物，改善位错运动模式，实现了合金强塑性的协同提升。

采用真空电弧熔炼炉制备了TiVNbAlx (x = 0,0.2,0.4,0.6)系列轻质高熵合金。随着Al含量增加，BCC基体中的B2有序相会由局部化学有序结构向纳米析出物转变，同时析出物体积分数也逐渐增大，合金性能相应地呈现先增加后减小的变化趋势。其中TiVNbAl0.4合金中的B2纳米析出物可有效钉扎位错，激活位错多滑移系，并促进位错增殖。由于纳米B2相具有较高的成分容忍度，因此在位错通过后仍可保持有序结构，产生持续的增强增韧效果。因此，TiVNbAl0.4合金的屈服强度和伸长率可分别增加35%和60%，强化效果高于其他已报道的B2有序结构，并实现了比强度和延展性之间良好的协同作用(170±1 MPa∙cm3∙g-1和32.40±0.4%)，优于大多数轻质难熔高熵合金

【图文解析】

图1 TiVNbAlx轻质高熵合金的相组成。(a) XRD图谱；(b) 2θ在25°~ 30°范围内的详细XRD图谱；TiVNb，TiVNbAl0.2，TiVNbAl0.4合金的(c-e) [100]BCC轴和的SAED模式和(f-h) g200向量的强度分析谱线。

图2 TiVNbAl0.2和TiVNbAl0.4轻质难熔高熵合金微结构的详细表征。(a) TiVNbAl0.2和(b) TiVNbAl0.4轻质高熵合金（100）B2衍射斑点TEM暗场图像。(c) TiVNbAl0.2和(d) TiVNbAl0.4轻质高熵合金中B2相的等效球直径分布，其中为B2有序相的平均等效球直径。

图3 TiVNbAlx轻质高熵合金的力学性能。(a) 工程拉伸应力-应变曲线。(b) 本文工作和先前报道的轻质难熔高熵合金中不同类型的B2排序所引起的强度和延性的变化对比。(c) TiVNbAl0.4与一些已报道的轻质难熔高熵合金拉伸比屈服强度和断裂延伸率对比。(d) TiVNb、TiVNbAl0.2和TiVNbAl0.4轻质难熔高熵合金的理论屈服强度与实验屈服强度对比。

图4 不同应变下TiVNbAl0.4 轻质高熵合金的位错结构。(a) 3%，(b) 10%，(c) 20%应变下试样表面的SEM图像。(d) 3%，(e) 10%，(f) 20%应变下试样的TEM图像。(g) 图4f中红圈所标记区域的SAED模式和(h)沿g200矢量对应的强度分析谱线。

图5 TiVNb和TiVNbAl0.4轻质难熔高熵合金中的塑性变形机制图

这些结果表明，通过在BCC固溶体结构的TiVNb基体中添加Al元素，可以诱导B2相的生成。增加Al元素含量，可促进B2相由TiVNbAl0.2合金中的局部化学有序结构向TiVNbAl0.4合金中纳米析出物转变。TiVNbAl0.4合金准静态拉伸过程中，B2纳米析出物可有效钉扎位错，形成Frank-Read位错源、位错环等多种位错结构，促进位错增殖，同时使位错可在多个滑移系上开启。当变形量进一步增加时，合金的位错可均匀分布，合金因而可承受较大的变形量。此外，B2有序结构在位错通过后仍可保持其原有结构。

【全文小结】

1.通过Al添加诱导生成稳定B2有序结构

2.B2纳米析出物可促进位错增殖并激活位错多系滑移

3.B2纳米析出物在位错通过后仍可保持其有序结构

4.为优化轻质难熔高熵合金力学性能提供了一种有效范例

【作者简介】

王睿鑫，女，国防科技大学空天科学学院助理研究员。2023年毕业于国防科技大学材料科学与工程专业并获得博士学位。主要从事高熵合金及其极端环境力学行为研究。以第一/通讯作者论文身份在Prog. Mater. Sci., J. Mater. Sci. Technol., Int. J. Plasticity等国际著名期刊上发表论文10余篇，ESI前1%高被引论文1篇，获得省部级科学技术进步奖一等奖1项，主持省部级科研项目2项。

陈雨洁，女，清华大学材料学院博士后。2023年毕业于浙江大学材料科学与工程专业并获得博士学位。主要从事先进结构材料的微观结构与性能研究，包括多尺度多维显微结构表征，显微结构演化等。以第一作者论文身份在Nat.Commun., J. Mater. Sci. Technol.等国际著名期刊发表论文4篇。

消息来源：稀有金属RareMetals

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