【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在航空航天、核能以及先進(jìn)制造等前沿領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)材料需要在從深冷到高溫的復(fù)雜環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定服役。然而，傳統(tǒng)合金普遍存在“強(qiáng)度–韌性”矛盾：強(qiáng)度提升往往伴隨延展性降低，且在高溫下強(qiáng)度衰減尤為明顯。難熔高熵合金(RHEAs)由Nb、Ta、Mo、W、Hf等高熔點(diǎn)元素組成，憑借其優(yōu)異的高溫性能備受關(guān)注，但迄今仍難以在寬溫域內(nèi)兼顧高強(qiáng)度與高延展性。近年來(lái)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)金屬材料因其可誘發(fā)“異質(zhì)變形誘導(dǎo)強(qiáng)化(HDI)”效應(yīng)而備受矚目，為解決強(qiáng)度–韌性矛盾提供了新思路。
 

　　基于這一理念，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室材料創(chuàng)新與設(shè)計(jì)中心(CAID)丁俊教授、馬恩教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種可冷加工的Nb–Ta–Ti–Hf基難熔高熵合金(成分：Nb??.?Ta??Ti??Hf??Re?.?B?.?)。研究人員采用冷軋+退火的熱機(jī)械處理工藝，成功構(gòu)筑出一種熱穩(wěn)定的異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)，由納米級(jí)超細(xì)晶、細(xì)晶和殘余變形晶協(xié)同組成，形成力學(xué)性能梯度(圖1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該合金在77 K低溫下抗拉強(qiáng)度超過(guò)1.8 GPa，延展率保持在約10%；在973 K高溫下仍能維持超過(guò)900 MPa的抗拉強(qiáng)度，刷新了單相固溶體類合金的紀(jì)錄。進(jìn)一步的原位力學(xué)和顯微分析揭示，這種優(yōu)異性能源于HDI強(qiáng)化機(jī)制：在軟硬區(qū)域的變形過(guò)程中發(fā)生應(yīng)變分配與位錯(cuò)累積，在界面處形成反向與正向內(nèi)應(yīng)力，顯著提升了加工硬化能力(圖2)。值得強(qiáng)調(diào)的是，該機(jī)制不僅在室溫和低溫下有效，而且在高溫條件下依然能夠持續(xù)發(fā)揮作用。
 

　　該研究首次證明了HDI強(qiáng)化機(jī)制在高達(dá)973 K條件下仍然有效，突破了傳統(tǒng)認(rèn)知。更為重要的是，研究發(fā)現(xiàn)這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)在973 K長(zhǎng)時(shí)間退火后仍保持穩(wěn)定，得益于此難熔高熵合金的高熔點(diǎn)及多主元體系帶來(lái)的慢擴(kuò)散效應(yīng)。這一特性使得合金在高溫環(huán)境下仍能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)性能，并展示了一種可推廣的合金設(shè)計(jì)思路：通過(guò)調(diào)控微結(jié)構(gòu)異質(zhì)性實(shí)現(xiàn)跨溫域的強(qiáng)度–韌性協(xié)同。這一成果為下一代極端環(huán)境服役材料的研發(fā)提供了新的方向與重要啟示。
 

圖1. 異質(zhì)結(jié)構(gòu)難熔高熵合金的微觀組織和寬溫域范圍內(nèi)拉伸力學(xué)性能
 

圖2.異質(zhì)結(jié)構(gòu)難熔高熵合金在不同溫度下的斷裂樣品的EBSD和TEM表征
 

　　日前，該研究成果以《熱穩(wěn)定性異質(zhì)晶粒難熔高熵合金在77 K至973 K溫度范圍內(nèi)具有卓越強(qiáng)度》(Thermally stable heterogeneous-grained refractory high-entropy alloy offering superior strength from 77 to 973 K)為題發(fā)表于《納米快報(bào)》(Nano Letters)。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一通訊單位，西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生安雅瓊為論文第一作者，材料學(xué)院丁俊教授、天目山實(shí)驗(yàn)室章程教授和加州大學(xué)伯克利分校 Robert Ritchie 教授為共同通訊作者，合作者還包括材料學(xué)院馬恩教授。該工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金及國(guó)家級(jí)青年人才項(xiàng)目的資助支持。