​大连理工卢一平团队《Acta Materialia》：相图计算辅助设计难熔高熵合金的优异热稳定性和机械性能

TiZrHfNbTa难熔高熵合金得益于其优异的高温屈服强度和良好的室温拉伸塑性，成为一种有希望的新型高温合金。目前的文献表明，铸态或高温退火态(退火温度≥1000 °C)的TiZrHfNbTa难熔高熵合金通常可以保持单相BCC无序固溶体结构。然而在中等温度(600 – 1,000 ℃)条件下，TiZrHfNbTa系难熔高熵合金将会自发地在分解为能量更低的多相结构。作为一种潜在的高温结构材料，这种较差的热稳定性无疑会限制其进一步的发展。

近日，大连理工大学卢一平教授团队通过相图计算(CALPHAD)方法评估了Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W等9种元素对TiZrHfNbTa难熔高熵合金中温稳定性的影响，发现，Ta与Hf元素对TiZrHfNbTa系难熔高熵合金的中温稳定性有害。同时，无法通过添加合金化元素来改善其中温稳定性，优化Ti-Zr-Hf-Nb四元系合金成分是提高其热稳定性的最佳策略。最终，通过去除Ta元素与减少Hf元素用量，设计了一种具有优异中温热稳定性的Ti₃₀Zr₃₀Hf₁₆Nb₂₄难熔高熵合金。此外，经过轧制热处理工艺后的Ti₃₀Zr₃₀Hf₁₆Nb₂₄难熔高熵合金具有良好的强度-塑性结合，屈服强度为800MPa，断裂延伸率达到了34%。相关结果以“CALPHAD-aided design for superior thermal stability and mechanical behavior in a TiZrHfNb refractory high-entropy alloy”标题发表在《Acta Materialia》上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118728

该研究利用CALPHAD方法实现了难熔高熵合金的中温稳定性与强韧化设计，建立了难熔高熵合金成分-理化参数-显微组织-力学性能之间的内部联系，揭示了难熔高熵合金的塑性变形和调幅分解机制，不仅对认识苛刻热载荷环境下难熔高熵合金的相选择行为与力学性能演化具有重大理论意义，更对拓宽新型难熔高熵合金材料在高温结构材料领域的应用奠定理论和实践基础。

本论文的第一单位为大连理工大学，李天昕博士生为第一作者，卢一平教授为通讯作者。

图1 TiZrHfNb-M, (M=Ti, Zr, Hf)合金的相图计算：(a) Ti, (b) Zr, (c) Hf, (d) V, (e) Nb, (f) Ta, (g) Cr, (h) Mo, (i) W

图2 Ti-Zr-Hf-Nb系难熔高熵合金的相图计算结果：(a) 1200 ℃;(b) 900 ℃; (c) 600 ℃条件下的等温截面相图; (d) 沿灰色箭头方向的垂直截面相图; (e) 沿中蓝色箭头方向的平衡凝固相图; (f) 铸态(AC)、轧制热处理(CR+A)和轧制热处理中温退火(CR+A+ST)态Ti₃₀Zr₃₀Hf₁₆Nb₂₄合金的XRD谱图

图3 Ti₃₀Zr₃₀Hf₁₆Nb₂₄合金微米级的微观组织形貌：(a1) AC; (b1) CR+A;(b3) CR+A+ST合金的背散射电子EPMA照片; (a2) AC;(b2) CR+A; (c2) CR+A+ST合金的WDS面扫结果; (a3) AC; (b3) CR+A; (c3) CR+A+ST合金的EBSD IPF map;(a4) AC; (b4) CR+A; (c4) CR+A+ST合金的EBSD phase map.

图4 CR+A合金的TEM和SAED分析：(a1) HADDF-STEM图像; (a2)编织篮网状形貌; (a3) 片层状形貌; (b1) 片层状形貌的HADDF-STEM图像; (b2) GPA分析 (b3) HADDF-STEM图像局部放大图; (c1) 编织篮网区域的SAED图谱; (c2, c3) TEM暗场像照片; (d1) 编织篮网状组织的HADDF-STEM图像; (d2, d3) FFTs结果

图5 Ti₃₀Zr₃₀Hf₁₆Nb₂₄合金的力学性能：(a) AC、CR+A、CR+A+ST合金的工程应力-应变曲线; (b) CR+A+ST合金的真应力-应变曲线及加工硬化率; (c) CR+A合金与典型的难熔高熵合金比屈服强度和断裂伸长率的对比

图6 Ti₃₀Zr₃₀Hf₁₆Nb₂₄合金的SMDIC应变场：(a) AC; (b) CR+A; (c) CR+A+ST合金; TI30ZR30HF16NB24合金的SMDIC局部应变量：(d) AC; (e) CR+A; (f) CR+A+ST

图7 CR+A合金拉伸变形后EBSD分析：(a) ~ 20%与(b) ~ 100%局部应变的IPF map; (c) ~ 20%与(d) ~ 100%局部应变的IPF; (e) ~ 20%和(f) ~ 100%局部应变的的KAM map.

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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