大連理工《MSEA》超高強度、硬度的難熔高熵合金

2021-01-10 孜然學術

隨著航空航天工業的快速發展，適合高溫應用的耐火材料受到了越來越多的關注。與傳統的難熔金屬和合金相比，具有多組分固溶相的難熔高熵合金(RHEAs)由於其晶格畸變和緩慢擴散效應而具有較高的強度和硬度。由於RHEAs在室溫和高溫下具有優良的力學性能，被認為是最有前途的耐火材料。隨著增強材料體積分數的增加，增強效果顯著增加。

然而，當大量難熔化合物直接加入到RHEAs中時，這些化合物往往會聚集在一起，形成較大的團簇，在高溫燒結過程中，團聚的化合物會相互粘結，導致嚴重的晶粒粗化。這種嚴重團聚和粗糙的化合物可能會降低RHEAs的機械性能。原位析出增強體與基體之間具有良好的彌散性。這將是一種很有前途的方法來最大限度地提高難熔化合物的強化效果，而多種非金屬元素與難熔金屬反應，原位生成難熔化合物對組織性能的影響仍不夠明確。

大連理工大學的研究人員同時引入三種非金屬原子(C、N和O)，以進一步增強合金的強度。採用機械合金化(MA)和電火花等離子燒結(SPS)技術製備了CrMoNbWTi-CNO RHEA，獲得了4345MPa和11.88GPa的超高的抗壓強度和硬度。系統地研究了合金的顯微組織、相組成和力學性能。討論了非金屬原子C、N、O的強化機理，並對難熔化合物的作用進行了分析。相關論文以題為「A multiple nonmetallic atoms co-doped CrMoNbWTi refractoryhigh-entropy alloy with ultra-high strength and hardness」發表在Materials Science & EngineeringA。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140035

研究發現CrMoNbWTi-CNO合金具有優良的抗壓強度和硬度，分別為4345MPa和11.88GPa，比典型的RHEAs要高得多。與典型的大晶粒(50-100μm)鑄態RHEAs相比，燒結的CrMoNbWTi-CNO合金有更細小均勻的組織(約1μm)，表明晶界強化有助於增強強度。多相RHEAs的強度和硬度普遍高於單相RHEAs。在現有的CrMoNbWTi-CNO合金中，析出的納米級(Nb，Ti)N具有FCC晶格結構，與BCC不相協調。因此，當前RHEA中納米級(Nb，Ti)N析出相的位錯強化機制是奧羅萬繞過機制（Orowan）。

圖1 燒結後的CrMoNbWTi-CNO RHEA的顯微組織及晶粒尺寸分布

圖2 CrMoNbWTi-CNO RHEA微觀結構的背散射圖像及元素分布

此外，除了傳統的固溶、晶界和Orowan強化機制，目前多種非金屬原子摻雜將進一步對合金進行強化，C有溶於BCC固溶體的趨勢，而O、N有與難熔金屬發生反應的趨勢。對於含有多種非金屬原子的HEA，非金屬原子在HEA中的存在形式與非金屬溶質原子和金屬溶劑原子的電負性差異密切相關。在RHEA中發現了大量的晶間(Nb、Ti)N和Ti2O3，對合金性能的提升具有重要作用。所以，本研究中具有超高性能的CrMoNbWTi-CNO RHEA也歸因於BCC中溶入的非金屬C和(Nb,Ti)N、Ti2O3晶間化合物的協同作用。

圖3 CrMoNbWTi-CNO RHEA的TEM圖像

圖4 CrMoNbWTi-CNO RHEA室溫壓縮的應力-應變曲線和典型RHEAs室溫壓縮屈服強度和硬度分布

綜上所述，本研究採用MA和SPS技術製備了含有C、N、O多種非金屬原子的新型CrMoNbWTi RHEA。燒結後，C主要溶於BCC固溶體中，N和O完全與難熔金屬元素反應，形成塊狀晶間(Nb，Ti)N和Ti2O3。燒結後的RHEA具有超高的強度和硬度，分別為4345MPa和11.88GPa，機械性能大大高於傳統鑄態RHEA，本文明確了非金屬原子（C、N、O）對RHEA的強化機制。（文：破風）

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