具有优异高温强度的韧性0.4MoNbxTaTi难熔高熵合金

供稿人：孙啸宇 张航
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

近来，难熔高熵合金由于其在极高温度下的应用前景，正越来越受到人们的重视。但是由于高温下高强度与环境温度下良好的塑性之间的不协调性，使得难熔高熵合金的应用受到很大限制。

南京航空航天大学材料科学与技术学院的研究者们利用高熔点元素W、Mo、Nb、Ta、Ti，并采用真空电弧熔炼的方法制备了W0.4MoNbxTaTi（x=1.1,1.3,1.5）高熵合金。其表现出优异的高温强度并且在室温下也有非常好的强度和延展性。 不同温度下不同温度下W0.4MoNbxTaTi合金的真实压缩应力—应变曲线和热压微结构如下图1所示。

图1 W0.4MoNbxTaTi合金在不同温度下的真实应力—应变曲线和扫描电镜图像

从图中可以看出W0.4MoNbxTaTi合金在室温下有良好的延展性，断裂应变在32%—39%之间，屈服强度分别为1412MPa（Nb1.1）、1334MPa（Nb1.3）和1312MPa（Nb1.5）。随着温度的升高，屈服强度显著下降。这是因为高温提供了能量，较高的能量会促进位错甚至晶界的运动，导致屈服强度的降低。尽管强度降低，合金在1373K的时候仍保持高的屈服强度（Nb1.1 585MPa；Nb1.3 425MPa；Nb1.5 503MPa）。 右边的扫描电镜图像可以看出裂纹开始于晶界，然后沿晶界扩展，同时一些裂纹扩展到晶粒中。随着温度的升高，裂纹的扩展受到抑制。在变形过程中，出现应力集中，导致局部能量急剧增加。当应力集中达到一定值时，开始出现裂纹扩展，释放能量。随着测试温度的升高，原子活性和位错迁移率显著升高。因此，局部应力集中可以得到有效缓解，抑制裂纹的萌生和扩展。

图2为W0.4MoNbxTaTi合金与报道的其他高熵合金机械性能和比屈服强度的比较，可以发现W0.4MoNbxTaTi合金不管在室温下还是高温下是强度和塑性的折中，具有广阔的应用前景。

图2 W0.4MoNbxTaTi合金与其他HEAs机械性能和比屈服强度的比较：（a）室温；（b）1073K；（c）1273K；（d）比屈服强度的温度相关性；
参考文献：
[1]Wei Wenchao,Wang Tao,Wang Chunyu,Wu Meng,Nie Yunpeng,Peng Jun. Ductile W0.4MoNbxTaTi refractory high-entropy alloys with excellent elevated temperature strength[J]. Materials Letters,2021,295.