美国田纳西大学材料顶刊：1173K高温下实现高强度!开发具有卓越高温强度的过饱和高熵合金
难熔高熵合金(RHEAs)在高温下具有广阔的应用前景。然而，由于热软化，在高于1173K的高温下实现高强度仍然具有挑战性。在此利用固有材料特性作为合金设计原则，设计了一种高温强度(1273 K时超过1000 MPa)的单相体心立方(BCC)CrMoNbV RHEA，优于其他报道的RHEA以及传统高温合金。通过原位中子散射、透射电子显微镜和第一性原理计算揭示了高温强度的起源。CrMoNbV的高温强度保持率高达1273 K，这是由于其较大的原子尺寸和弹性模量失配、弹性常数对温度的不敏感依赖性，以及由强溶质钉扎引起的非螺旋特征位错占主导地位，这使得固溶体强化效果显著。本研究中的合金设计原则和见解为设计具有优异高温强度的RHEA奠定了道路。
航空航天工业对提高燃料效率和环境友好性的强烈需求要求材料具有特殊的高温强度。传统的高温合金，如镍基高温合金，在接近熔点和接近熔点的高温操作温度下，不能满足强度要求。因此，必须通过新颖的合金设计思想来设计下一代高温或难熔合金。近年来，具有广阔成分空间的高熵合金(HEAs)彻底改变了合金设计策略，为探索先进的耐火结构材料提供了新的机遇。具有高熔点元件的耐火材料由于其高温结构稳定性和耐热软化性能而受到广泛关注。与传统的难熔金属和合金相比，由于其显著的固溶强化和潜在的难熔元素缓慢扩散，在高温下具有较高的强度。
然而，据报道，在超过1173 K的温度下，尽管与镍基超耐热合金相比，它们表现出了优越的高温强度，但仍无法避免明显的软化。几种合金设计原则可用于克服RHEAs中的软化。首先，HEAs中较大的原子尺寸不匹配可能在高温下保持高强度方面发挥关键作用，尽管不能过于强烈地引入，因为过大的原子尺寸不匹配可能导致中温下的相分解，导致强度软化。其次，弹性性能对温度不敏感的依赖性是另一个关键因素，可以通过调整来获得特殊的高温强度，比如Nb和V的情况。
在此，田纳西大学材料科学与工程系的Rui Feng联合宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基梅隆大学物理系的Bojun Feng等设计了一种单相BCC结构的新型复合材料，大大提高了高温性能。新材料中含有Cr、Mo、Nb和V等元素，原子尺寸大，弹性模量不匹配，但在高温下具有可靠的相稳定性。该RHEA在高温下表现出弱的强度降低，并保持有吸引力的高温强度(1273K下≈1000mpa)。综合实验和理论建模结果，证实了该合金的高温不敏感强化机理。目前的工作证明了基本合金设计原则在开发极端高温下使用的材料方面的有效性。相关研究成果以题“Superior High-Temperature Strength in a Supersaturated Refractory High-Entropy Alloy”发表在材料顶刊Advanced Materials上。链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102401
高温结构材料的热稳定相和微观结构是决定其能否长期可靠使用的关键标准。先前已报告了该合金的选定相稳定性结果。为了更好地理解高温力学性能，本文简要回顾了该合金的相稳定性以及更多的新结果。在铸态下，存在具有BCC结构的典型枝晶微观结构。枝晶区域富含Mo和Nb，而枝晶间区域富含Cr和V，表明在凝固过程中，高熔点的Mo和Nb首先凝固，低熔点的Cr和V结晶较晚。电子背散射衍射(EBSD)晶粒取向图表明铸态样品的平均晶粒尺寸为≈140µm，无明显纹理(图1h)。在1000和1100 K下退火7天和1273 K下退火21天后，枝晶形态和单相BCC结构得以维持(图1b–d，i)，表明该合金在其过饱和固溶体中在当前退火时间尺度下稳定到1273 K。在1373和1473 K下退火7天后，C15 Laves相(Cr2Nb型)在晶界处沉淀(图1e，f)。1473K退火样品在1673K下进一步退火后，C15相消失，出现等轴BCC晶粒，表明发生了再结晶。
综上所述，在CrMoNbV RHEA的设计中，成功地实现了三种合金性能，它们引起了优异的高温强度，包括较大的原子尺寸和弹性模量失配、弹性性能对温度的不敏感依赖性以及非螺旋特征位错的优势。RHEA以上述三种合金特性的结合为中心的设计原则可以扩展到其他合金系统，以实现优异的高温强度。
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