铝对NbTiVZrMo高熵合金在室温和高温下的微观结构及力学性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effects of Aluminum on Microstructure and Mechanical Properties of NbTiVZrMo High-Entropy Alloys at Room and Elevated Temperatures

本研究系统探究Al元素对Al_x(NbTiVZrMo)_{100?x}（x=0,2,4,6,8,10 at%）高熵合金微观结构与力学性能的影响。结果表明，适量Al（x=2 at%）通过促进亚微米级共格L1?-AlZr3析出相和细化凝固结构，协同提升室温压缩强度（2380.8 MPa）与断裂应变（25.8%），同时保持高温性能优势（600/1000°C强度分别提高20.9%/15.1%）。Al诱导多尺度强化机制（原子尺度固溶强化+界面弹性应变场）揭示了强度-塑性协同调控新途径，为开发耐高温轻质高熵合金提供理论支撑。

　　

郝世瑞|秦刚|陈瑶|方洪泽|王亮|苏艳青|陈瑞润

哈尔滨工业大学金属精密热加工国家重点实验室，中国哈尔滨 150001

摘要

为了解决轻质难熔高熵合金（RHEAs）在室温强度与延展性之间的平衡问题以及高温软化抗性的挑战，本研究探讨了铝（Al）合金化对Al_x(NbTiVZrMo)_100?x体系的影响。结果表明，适量的铝添加（x = 2%）能够细化凝固结构，并促进亚微米级、有序的L1₂-AlZr₃沉淀物的形成。这同时提高了室温压缩强度（2380.8 MPa）和断裂应变（25.8%）。Al_x(NbTiVZrMo)_100?x合金在600°C时的强度比Al₀合金高20.9%，在1000°C时高15.1%。这些性能提升归因于铝诱导的多尺度强化效应：在原子尺度上的严重晶格畸变提供了固溶强化；而有序的L1₂/基体界面由于晶格失配低（δ < 5%），产生了强烈的弹性应变场，有效阻碍了位错运动，同时允许界面处的协同滑移，从而实现了强度与延展性的平衡。本研究表明，铝介导的界面工程是一种开发适用于高温应用的先进轻质RHEAs的有效策略。

引言

高熵合金（HEAs）这一革命性概念最初由Yeh等人[1]和Cantor等人[2]在2004年独立提出，从根本上挑战了传统的合金设计范式。与传统以单一主要元素为主的合金不同，HEAs由4-5种主要元素近乎等量的组合构成，形成了具有异常高配置熵的复杂固溶体[3],[4],[5],[6]。这一范式转变赋予了HEAs前所未有的机械性能，包括超高的强度（屈服强度>1 GPa）、优异的断裂韧性（>30 J/m2）和出色的抗氧化性，使其成为一类具有颠覆性的材料。在此基础上，Senkov等人在2010-2011年率先开发了难熔高熵合金（RHEAs），通过加入多种VB-VIB族过渡金属（如Nb、Ta、Mo、W、V）[7],[8]。他们对单相体心立方（BCC）WNbMoTa和WNbMoTaV体系的研究表明，这些合金在1600°C时的压缩强度仍超过400 MPa，远超传统镍基超合金（通常熔点在1300°C至1400°C之间）[9],[10]。尽管具有这些优势，早期RHEAs在航空航天和能源应用中仍面临关键限制：其密度较高（9至14 g/cm3），与镍基超合金相当甚至更高；并且在常温下的延展性和断裂韧性较差，导致固有的脆性及加工难度[11],[12],[13]。

为了解决这些问题，后续研究逐渐聚焦于战略性元素替换和微观结构工程。最新综述文章强调，优化成分设计（尤其是引入低密度元素）对于实现高温老化合金的特定强度与延展性的最佳平衡至关重要[14],[15],[16]。一种常见的策略是引入低密度元素（如Al（2.7 g/cm3）、Ti（4.5 g/cm3）和V（6.0 g/cm3），以降低密度并通过固溶强化和/或沉淀硬化来提升强度[17],[18]。例如，Lin等人[19]发现，在HfNbTaTiZr合金中添加铝可以激活双相强化机制，使硬度提高15%的同时保持良好的塑性。此外，Al_?TiZrHfNbTa（x < 0.3）和Al_?NbTaTiV（0.25 < x < 1）等合金体系通过旋涡分解和亚微米级沉淀实现了协同强化，屈服强度超过1.2 GPa且几乎没有延展性损失[20],[21]。然而，这种成分调整（尤其是增加铝含量）往往会导致复杂的相形成，给微观结构控制和性能预测带来挑战。例如，AlNbTiVZr和Ti(55?x)Zr??Hf??Nb?Al??等体系可能从单一体心立方相转变为包含脆性金属间化合物的多相混合物，从而降低韧性[22],[23]。因此，系统研究铝对相选择、微观结构演变和广泛温度范围内机械行为的影响至关重要。

基于这些考虑，本研究系统地探讨了铝添加对Al_?(NbTiVZrMo)_100?x（其中x = 0, 2, 4, 6, 8, 10%）难熔高熵合金微观结构和力学性能的影响。通过对相组成、微观结构演变和高温力学响应的全面表征，建立了可靠的成分-加工-结构-性能关系。研究结果旨在为下一代轻质、高强度难熔HEAs的设计提供理论基础和实践指导。

部分内容摘录

材料合成与微观结构表征

Al_?(NbTiVZrMo)_100?x（x = 0, 2, 4, 6, 8, 10%）合金锭是通过真空电弧熔炼（10?3 Pa）在高纯度（≥99.99%）前驱金属和水冷铜坩埚中，在高纯度氩气（99.999%）氛围下制备的。为确保化学均匀性，每个锭子经历了八次连续熔炼循环，每次循环包括翻转和重新熔炼过程。我们对五个不同区域进行了元素分析。

相图分析

相图计算是预测复杂合金体系相平衡关系的最可靠和稳健的方法之一。在本研究中，我们使用了Thermo-Calc软件和高熵合金专用热力学数据库（TCHEA6）系统地构建了Al_x(NbTiVZrMo)_100?x合金体系的伪二元相图。该数据库专为多组分高熵合金体系开发，能够提供准确的相平衡信息。

界面关系

为了阐明L1₂有序沉淀相与BCC2基体之间的原子尺度界面特性及其对合金力学行为的影响，我们对两相界面区域进行了系统的HRTEM分析。图12.（a）中的明场图像捕捉到了一个代表性的界面，随后通过放大获得了原子级分辨率的图像（图12.（c））。快速傅里叶变换（FFT，图12.（e）-（f）也被用于进一步分析。

结论

通过全面研究Al₀和Al₂轻质难熔高熵合金的微观结构演变和高温变形机制，将铝战略性地引入成分设计中，实现了Al_?(NbTiVZrMo)_100?x合金中“凝固结构-沉淀相-界面结构-电子结构”层次结构的协同调控。这项研究不仅开发出了一种新型合金体系，还展现了优异的性能。

CRediT作者贡献声明

王亮：验证、概念构思。 方洪泽：验证。 陈瑶：可视化、验证。 陈瑞润：监督、项目管理、资金获取。 苏艳青：验证、概念构思。 秦刚：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。 郝世瑞：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52574400和52425401）以及中央高校基本科研业务费（MSE.'AI+CL'JZPY.2025001）的支持。