北科大吴渊&吕昭平顶刊：利用晶界工程解决难熔高熵合金氧脆问题！

2022-04-01 13:37:49 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

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。

在此，来自北京科技大学的吴渊&吕昭平等研究者，成功地通过添加准金属B或C的晶界工程，在NbMoTaW型RHEAs中实现了>10%的大塑性，>1750 MPa高强度。相关论文以题为“Solving oxygen embrittlement of refractory high-entropy alloy via grain boundary engineering”发表在Materials Today上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702122000396

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1 铸态基和掺-BRHEAs的相组成和力学性能。

图2 断口形貌和铸态稀土合金晶界透射电镜照片。

图3 铸态RHEAs中的元素分布。

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。

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