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  • 吕昭平顶刊:利用晶界工程解决难熔高熵合金氧脆问题

    作者:admin发表时间:2022-04-19

      难熔型高熵合金,尤其是NbMoTaW型高熵合金,在超高温下表现出优异的抗软化性能和热稳定性,但在室温下脆性较大,严重限制了其加工性能和实际应用。

      难熔高熵合金,特别是NbMoTaW型高熵合金,由于其具有良好的相稳定性和高温强度,在高温结构材料方面具有广阔的应用前景。但常温下塑性不明显,常沿晶断裂,导致轧制和锻造过程中加工性能差。然而,由于没有合适的亚稳相,在加载后会发生马氏体转变,因此,前人所提出的提高BCC HfNbTaTiZr常温下塑性的方法,如亚稳工程策略,不能直接应用于NbMoTaW型RHEAs。因此,揭示NbMoTaW型稀土合金室温脆性的潜在机制,以解决上述问题是十分必要的。

      众多研究结果表明,晶界(GB)脱聚是各种高温结构金属间化合物脆性的根本原因,如Ni3Al,存在严重的沿晶断裂。在加载过程中,H原子在裂纹尖端聚集,导致了材料的GB脆性。尽管如此,一些研究表明,与传统合金相比,HEAs具有特殊的抗氢脆性能。换句话说,造成NbMoTaW型RHEAs灾难性断裂的机制是不同的。

      在此,研究者首先揭示了等摩尔NbMoTaW RHEA室温脆性的起源,然后尝试通过B、C等小元素的掺杂来解决这一关键问题。通过添加B或C类金属的晶界工程,研究者成功地使NbMoTaWRHEAs的塑性达到了10%,强度达到了1750MPa。结果表明,铸态NbMoTaW合金的室温脆性是由氧污染物的晶界偏析引起的,氧污染物的晶界偏析削弱了晶界凝聚。掺小尺寸的类金属优先取代晶界处的氧,促进了与基体金属之间更强的电子相互作用,有效地缓解了晶界脆性,使断口形貌由沿晶断裂变为穿晶断裂。该研究结果,不仅有助于理解高脆性HEAs的脆化机理,而且为脆性HEAs的塑性化提供了一条有用的途径。

      图4 利用第一性原理计算了稀土元素与基体金属之间的偏析能、强化能、电荷密度和ELF值。

      综上所述,研究者发现BCC - NbMoTaW - HEA的室温脆性来源于氧致脆化。O与基体金属之间的弱电子相互作用削弱了GBs的强度,导致了晶间开裂。优先偏析到GB的B或C原子的微合金化抑制了O在GB处的偏析。B/C与基体金属之间的强电子相互作用,保证了其与相邻金属原子之间的键能更强,从而产生更强的内聚力。增强的GB黏聚力抑制了早期的晶间裂纹,使变形模式由晶间向晶内转变,最终提高了塑性。该研究结果,不仅对了解RHEAs的室温脆性有重要意义,而且为提高HEAs的力学性能提供了有益的途径。(文:水生)

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