一種根據(jù)最大晶格畸變原理設(shè)計(jì)的新型HfNbTaTiV高熵合金

供稿人：孫嘯宇 張航
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

北京工業(yè)大學(xué)的研究者基于元素固有延展性，固溶體強(qiáng)化的最大原子尺寸差以及價(jià)電子濃度標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)得到了HfNbTaTiV高熵合金。它在常溫下具有高達(dá)1350Mpa的壓縮屈服強(qiáng)度和高達(dá)45％的塑性應(yīng)變率。并且在700℃的高溫環(huán)境下，它仍然能保持720Mpa的屈服強(qiáng)度和35％的塑性應(yīng)變率。這種同時(shí)具有高屈服強(qiáng)度和高塑性應(yīng)變率的合金，在性能上已經(jīng)優(yōu)于大部分BCC結(jié)構(gòu)的高熵合金。另外HfNbTaTiV和與之類似的HfNbTaTiZr相比擁有相似的塑性應(yīng)變率，但是強(qiáng)度上比HfNbTaTiZr高了50％。

HfNbTaTiV的力學(xué)性能對(duì)比圖如下圖1所示。

圖1 (a)室溫下HfNbTaTiV和HfNbTaTiZr的工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線；(b)HfNbTaTiV在500℃、600℃和700℃的工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線；(c)本研究中的HfNbTaTiV和HfNbTaTiZr和其他難熔高熵合金性能的比較；（d）本研究中制備的HfNbTaTiV和HfNbTaTiZr與其他高溫材料屈服強(qiáng)度對(duì)溫度依賴性的比較。

從圖中可以看出HfNbTaTiV合金具有非常良好的壓縮屈服強(qiáng)度和延展性，它的性能與其它大部分的BCC結(jié)構(gòu)難熔高熵合金相比都占有非常明顯的優(yōu)勢。并且其在高溫下也能保持較好的性能。圖1（d）中把HfNbTaTiV和一些在核反應(yīng)堆中應(yīng)用的合金以及與HfNbTaTiV類似的高熵合金進(jìn)行對(duì)比，可以看出屈服強(qiáng)度隨著溫度的升高降低是最緩慢的，這些性能使得HfNbTaTiV非常有望在核反應(yīng)堆和超臨界發(fā)電領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。

圖2 HfNbTaTiV壓縮試驗(yàn)后的顯微組織(a)XRD圖；（b）亮場TEM圖

從圖2（a）XRD圖可知，HfNbTaTiV壓縮變形后仍然保持單一BCC相，從右側(cè)（b）圖也可以看出結(jié)構(gòu)中無變形孿晶，位錯(cuò)滑移是變形的主要原因。所以研究者們認(rèn)為HfNbTaTiV合金的優(yōu)異機(jī)械性能主要是因?yàn)閲?yán)重的晶格畸變導(dǎo)致的高固溶強(qiáng)化效果。

參考文獻(xiàn)：
[1]Zibing An, Shengcheng Mao, Yinong Liu, et al. A novel HfNbTaTiV high-entropy alloy of superior mechanical properties designed on the principle of maximum lattice distortion[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2020.