第一作者：崔丁聪;通讯作者：王锦程，何峰
通讯单位：西北工业大学
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.01.038
01 全文速览
本文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，有望突破难熔高熵合金的性能桎梏与应用瓶颈。
02 研究背景
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，导致其加工成型与工程化应用举步维艰。
03 本文亮点
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，是否可以变“害”为“宝”的呢?本文先探明了氧元素对于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，以具有塑性的TiVHfNb系RHEAs作为模型合金，通过不同含量的氧掺杂影响其相稳定性，达到调控凝固组织的目的。
04 图文解析
研究中发现2 at.%的氧掺杂可以诱导TiVHfNb RHEA产生纳米级的调幅分解双相。如图1的TEM图像所示，Ti41V27Hf15Nb15O2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。
05 结论展望
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。
06 课题组简介
西北工业大学材料微观组织计算与合金设计课题组，团队由王锦程教授负责、现有“千人计划”首席专家 1 人、国家级青年人才 1 人，教授 3 人、副教授3 人。课题组以凝固技术国家重点实验室的学科发展为依托，长期开展材料微观组织计算及合金设计方面的科研工作，主要具体研究方向包括：凝固过程及其微观组织数值模拟、纳米多晶组织演化及其变形机制以及高性能金属材料及合金设计等。现有在读博士研究生 10 余人、硕士研究生 30 余人。课题组近五年来先后承担国家自然科学基金项目、973 计划项目、国防预研、航空基金等国家及省部级科研项目 20 余项。获陕西省科学技术二等奖 1 项，陕西省高等学校科学技术一等奖 2 项，授权国家发明专利 8 项。近年来，课题组共发表 SCI 收录学术论文 120 余篇，其中大部分发表在 Nature Communications, Acta Mater，International Journal of Plasticity，Scripta Mater，PRE，J Cryst Growth 等本研究领域顶级期刊上。
多年来，课题组以培养创造性人才为已任，培养了多名优秀毕业生，其中包括多名陕西省优秀毕业生、洪堡奖学金获得者、香江学者等。组内会定期开展传帮带、聚餐与团建活动，师生同门之间关系融洽。同时，课题组非常注重国际与国内交流与合作，与日本物质材料研究机构(NIMS)、日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)、德国卡尔斯鲁厄理工大学(KIT)、德国德累斯顿工业大学(DUT)、韩国浦项理工大学(POSTECH)、香港城市大学等国际知名研究机构保持密切的国际合作关系。支持鼓励学生参加国际会议、与国外大学联合培养及国外短期学术访问等国际学术交流。
因学科发展和研究需要，本组长期招收博士后和科研助理。岗位要求与待遇详见课题组网站链接(http://www.jchwang.com)。有意者请按要求把应聘材料发送至何峰老师邮箱：fenghe1991@nwpu.edu.cn邮件标题以"应聘博士后/科研助理+本人姓名"命名，本招聘长期有效，欢迎共襄盛举!
07 引用本文
Dingcong Cui, YuyuZhang, LinxiangLiu,Yue Li, Lei Wang, Zhijun Wang, Junjie Li, Jincheng Wang*, Feng He*, Oxygen-assisted spinodal structure achieves 1.5 GPa yield strength in a ductile refractory high-entropy alloy, J. Mater. Sci. Technol. 141 (2023) 193-198.
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