通过淬火调控钇的分布，实现双相难熔高熵合金中的强度-延展性协同效应

双相BCC耐热高熵合金中稀土元素Y含量（0.1-0.5 at.%）与淬火温度协同调控对其显微组织演变及室温力学性能的影响规律进行研究。结果表明：淬火温度升高促进Y在BCC基体中固溶，细化晶粒并增强固溶强化与晶界滑移协同效应，使含0.2 at.% Y的合金在1000℃淬火时实现塑性应变35.5%和压缩韧性484 MJ/m3的优异性能，为优化耐热合金强韧性平衡提供新策略。

　　

王 Enhao|刘哲豪|魏世杰|康富伟|董建林|李德云|王金龙|李翔|江伟

哈尔滨工业大学材料科学与化学工程学院，中国哈尔滨，150040

摘要

由于具有耐高温特性而赋予的高强度和相稳定性，双相体心立方（BCC）高熵合金（RHEAs）已成为先进结构材料的理想候选材料。本文系统研究了淬火温度对(Ti₂₅Zr₂₅Nb₂₀Hf₅Ta₁₅W₁₀)_100-xY_x（x = 0.1 – 0.5%）RHEAs的相组成、微观结构演变及室温力学性能的影响。随着淬火温度的升高，Y元素在BCC基体中的溶解度显著增加，导致微观结构得到显著细化。这种细化作用通过固溶强化和晶粒细化机制提高了合金的性能。在适量的Y元素含量下，这两种效应的协同作用显著优化了微观结构，从而显著提升了合金的压缩塑性变形能力和断裂韧性。特别是含有0.2% Y的合金表现出最佳力学性能：铸态合金的压缩塑性应变达到21.5%，断裂韧性为321 MJ m^-3；而在1000 ℃下淬火后，压缩塑性应变进一步提高至35.5%，断裂韧性达到484 MJ m^-3，同时强度没有明显下降。这些结果表明，通过控制稀土元素含量并结合热处理可以有效调节双相RHEAs的强度-韧性平衡，为设计高韧性耐高温合金提供了新的思路。

引言

高熵合金（HEAs）最初被定义为由五种或更多主要元素以近乎等原子比组成的多组分金属系统。在过去二十年里，由于其独特的合金化原理和优异的力学及功能性能而受到了广泛关注[1]、[2]。与传统基于一两种主要元素的合金不同，HEAs的性能来源于复杂的成分相互作用，这些相互作用通常会导致高配置熵、严重的晶格畸变、扩散缓慢以及协同效应[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。这些独特特性使HEAs在强度[8]、[9]、[10]、硬度[5]、[12]、[13]、耐磨性[14]、[15]和耐腐蚀性[16]、[17]、[18]等方面展现出优异的性能，从而扩展了其在先进结构材料中的应用潜力。

在各种高熵合金家族中，耐高温高熵合金（RHEAs）因主要含有周期表IV、V、VI族的耐高温元素（如Ti、Zr、Nb、Hf、Ta、Mo、W）而成为特别重要的一个子类。这类合金通常具有体心立方（BCC）晶体结构，这种结构得益于耐高温元素的高熔点和强原子键合[19]、[20]、[21]。因此，RHEAs通常具有较高的强度和良好的结构稳定性，使其成为在苛刻机械条件下使用的承载部件的理想候选材料。

尽管具有上述优势，RHEAs在室温下的塑性较差这一关键限制限制了其更广泛的应用。BCC晶体结构的特性以及室温下强烈的方向性键合和有限的活性滑移系往往导致过早断裂和较低的塑性变形能力[22]。因此，大多数RHEAs表现出明显的强度-韧性权衡：极高的强度伴随着有限的塑性应变和较低的韧性。这一挑战在RHEAs的结构应用开发中一直是一个基本的科学和工程难题。以TiZrNbHfTaW合金为例，其在室温下的抗压强度超过1700 MPa，硬度约为584 HV，但压缩塑性应变仅约为20%，这反映了BCC固溶合金的典型脆性。许多其他RHEA系统也表现出类似的现象，即固溶强化和晶格畸变会削弱塑性。因此，在RHEAs的设计和加工中实现高强度与足够室温塑性和韧性之间的平衡仍然是一个核心挑战。

为克服RHEAs的这一固有缺陷，人们投入了大量努力进行成分优化和微观结构调控。研究表明，稀土微合金化在提升金属材料力学性能方面尤为有效。稀土元素（如Y）可以通过细化晶粒结构、改变晶界化学成分和抑制脆性金属间相的形成来显著改善强度-韧性协同效应[24]、[25]。Long等人发现，在FeNiAlCrB合金中添加0.1% Y可使断裂韧性提高约50%，这归因于硼的扩散作用和微观结构的均匀化[26]。Xie等人将0.5% Y加入NbMoTiVSi_0.3 RHEA后，屈服强度从1641 MPa提高至1991 MPa，同时压缩塑性应变从12.68%提高至16.58%，这是由于M₅Si₃脆性相的形态改变[27]。在我们之前的研究中，通过真空电弧熔炼制备的Ti₂₅Zr₂₅Nb₂₀Hf₅Ta₁₅W₁₀ RHEA具有典型的双相BCC微观结构，室温下的抗压屈服强度为2342 MPa，压缩塑性应变为13.9%；添加0.2% Y后，压缩塑性应变增加到19.8%，同时硬度略有提高，但屈服强度降至1889 MPa[28]。这种变化与Y诱导的微观结构演变有关，包括晶界偏聚、相变和晶粒生长，这些变化促进了晶界滑移并减少了位错相互作用。然而，过量的Y添加会导致晶界沉淀，从而降低整体力学性能。这些观察结果表明，虽然稀土合金化可以有效提高塑性，但其效果对成分非常敏感，并可能伴随着强度的不可避免的折中。

除了合金化策略外，热处理也被广泛用于调节HEAs和RHEAs的相组成和微观结构。先前的研究表明，适当的热处理（如固溶处理、时效处理和淬火）可以通过消除脆性相、优化沉淀物分布和细化晶粒形态来显著提升力学性能[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。例如，Liu等人发现，对沉淀硬化型(FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇ HEA进行均匀化和时效处理后，通过抑制有序L2₁相的沉淀显著提高了塑性应变[34]。Zhao等人证明，对AlCoCrFeNi HEA进行固溶处理去除了脆性的σ相，并促进了延展性的FCC相的形成，从而显著改善了强度-韧性平衡[35]。Niu等人进一步表明，热处理使Al_0.5CoCrFeNi HEA的拉伸强度提高了约60%，同时保持了塑性[36]。在我们的研究中，淬火也被证明能有效改变Ti₂₅Zr₂₅Nb₂₀Hf₅Ta₁₅W₁₀ RHEA的微观结构，并改善了其室温力学性能[37]。

然而，尽管单独应用稀土合金化和热处理都显示出有效性，但目前尚缺乏对这两种策略相互作用机制的系统性理解——特别是稀土含量和淬火温度如何共同影响双相BCC RHEAs的相稳定性、微观结构演变以及最终的强度-韧性平衡。

为了解决这些问题，本研究系统研究了淬火温度对(Ti₂₅Zr₂₅Nb₂₀Hf₅Ta₁₅W₁₀)_100-xY_x（x = 0.1–0.5%）RHEAs的相组成、微观结构演变和室温力学性能的影响。为了进行全面而针对性的分析，我们使用了不同的Y含量组合来建立成分和工艺依赖性的趋势，并选取了一个代表性成分进行详细的微观结构表征，以阐明相演变和变形机制。本研究提供的见解为理解稀土合金化和淬火对双相BCC RHEAs的耦合效应提供了理论基础，并为设计具有优异室温韧性的耐高温合金提供了指导。

材料制备

采用真空电弧熔炼方法制备了一系列化学组成为(Ti₂₅Zr₂₅Nb₂₀Hf₅Ta₁₅W₁₀)_100-xY_x（x = 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5%）的RHEAs块状锭材。选用高纯度（>99.95%）的Ti、Zr、Nb、Hf、Ta、W和Y金属（粗颗粒形式）作为原料。在真空条件下（真空度≤9×10^-4Pa），使用水冷铜炉进行真空非消耗性电弧熔炼（DHL-1250）来避免氧化。

相鉴定

通过X射线衍射分析了不同Y含量的(Ti₂₅Zr₂₅Nb₂₀Hf₅Ta₁₅W₁₀)_100-xY_x RHEAs在不同淬火温度下的相组成。图1和2a展示了不同Y含量的铸态和淬火合金的XRD图谱。所有铸态合金均呈现双相体心立方（BCC）结构。在800 °C、1000 °C和1200 °C淬火后，未检测到任何成分的额外衍射峰，表明没有产生次要相。

微观偏聚行为

在非平衡凝固过程中，尤其是像耐高温高熵合金这样的多组分合金系统中，合金元素的微观偏聚是一个固有现象。在液相线与固相线温度之间的凝固过程中，有限的原子扩散和固液界面的成分分配不可避免地导致微观尺度上的化学不均匀性。为了定量评估元素在固相和液相之间的偏聚程度，进行了相关研究。

结论

本研究通过稀土微合金化和淬火处理的耦合调控，建立了实现双相BCC耐高温高熵合金强度-韧性协同效应的微观结构-力学关联。主要结论如下：

1. 稀土Y在双相BCC基体中表现出明显的偏聚-溶解行为，这与其较大的原子尺寸和不利于混合的焓有关。

作者贡献声明

王 Enhao：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源提供。刘哲豪：撰写 – 原稿，方法论，数据管理，概念构思。魏世杰：撰写 – 审稿与编辑，验证，形式分析。康富伟：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论。董建林：验证，数据管理。李德云：方法论，实验研究。王金龙：方法论，实验研究。李翔：资源提供，方法论。江伟：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52501213）和陕西省重点研发项目（2024GX-YBXM-356）的资助。