冷轧工艺在一种轻质耐火高熵合金中实现了强度与延展性的协同提升

《Materials Science and Engineering: A》：Cold rolling induces strength-ductility synergy in a lightweight refractory high-entropy alloy

【字体：大中小】 时间：2026年06月06日 来源：Materials Science and Engineering: A 6.1

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　　沈伟健|余晓青|范一静|何静芝|沈博航|唐宇|雷志峰国防科技大学航空航天科学与工程学院，中国长沙，410073摘要耐火高熵合金（RHEAs）在极端环境应用中具有巨大潜力，但其相对较低的比强度和延展性限制了其作为结构材料的使用。本文提出了一种简单且经济有效的策略，通过单步冷轧含有有

沈伟健|余晓青|范一静|何静芝|沈博航|唐宇|雷志峰

国防科技大学航空航天科学与工程学院，中国长沙，410073

摘要

耐火高熵合金（RHEAs）在极端环境应用中具有巨大潜力，但其相对较低的比强度和延展性限制了其作为结构材料的使用。本文提出了一种简单且经济有效的策略，通过单步冷轧含有有序B2纳米结构的低密度TiVNbAl_0.5（摩尔比）RHEA来提高比强度，同时不牺牲延展性。在铸态下，这些纳米结构通过激活多个滑移系来促进延展性；而在冷轧过程中，它们促进了由异质位错分布和<111>//ND及<001>//ND织构组成的双重异质结构的形成。这种结构异质性通过位错积累快速增强了合金的强度，并产生了显著的异质变形强化效应，同时保持了稳定的塑性变形。结果，经过30%的冷轧后，断裂伸长率从10.4%±1.2%提高到了12.6%±1.0%。值得注意的是，即使经过90%的变形，该合金的比强度仍能达到248 ± 2 MPa·cm³·g^-1，同时保持10.7%±1.2%的延展性，超过了大多数经过深度冷轧的RHEAs。这些结果揭示了一种非传统的强化-延展性协同效应，并为提高轻质耐火高熵合金的性能提供了可扩展的途径。

引言

耐火高熵合金（RHEAs）由多种主要元素组成，由于其在极端环境应用中的卓越潜力而受到了广泛关注。耐火元素本身的特性，加上严重的晶格畸变，使其在超高温度、高应变率和辐照条件下具有出色的稳定性[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，它们的高密度（通常超过9 g/cm³ [6]、[7]）增加了结构重量，限制了其承载效率。

轻质耐火高熵合金（LRHEAs）通过引入V和Al等低密度元素，将密度降低到7 g/cm³以下[8]、[9]，从而解决了这一限制。尽管如此，LRHEAs通常仍保持传统RHEAs的体心立方（BCC）固溶体结构，在这种结构中螺旋位错的激活非常困难[10]、[11]。此外，低密度元素的引入往往还会促进脆性金属间相（如AlZr₂型Laves相[12]、[13]）的形成。因此，LRHEAs的延展性通常较低，拉伸伸长率通常低于5% [8]、[14]，进一步强化的潜力也受到限制。

冷轧是一种广泛使用且经济有效的金属材料强化方法。它可以消除铸造缺陷，并引入大量位错，这些位错的相互作用阻碍了位错的进一步移动，从而在不形成次生相的情况下增强了强度。然而，严重的变形通常会耗尽塑性，导致延展性和韧性显著下降[15]、[16]。

我们在冷轧的TiVNbAl_0.5（摩尔比）LRHEA中观察到了一个意外的强化-延展性协同效应。铸态合金由含有有序B2纳米结构的无序BCC基体组成，具有中等比强度和合理的延展性。虽然这些B2纳米结构在冷轧过程中消失，但合金形成了具有高低位错密度交替区域的异质微观结构，以及由多种取向成分引起的明显织构异质性。这种结构异质性使得屈服强度显著提高，从铸态的884±9 MPa提高到冷轧90%后的1460±11 MPa，对应的比强度为248±2 MPa·cm³·g^-1

章节摘录

材料与方法

通过真空电弧熔炼相应的纯金属（纯度>99.9 wt.%），在掺钛的高纯度氩气氛围中制备了名义组成为TiVNbAl_0.5的合金。该合金至少重新熔炼了五次以确保均匀混合，随后铸造成尺寸为10 mm × 10 mm × 60 mm的立方锭（图S1a）。铸态锭被切成两半，然后在室温下进行冷轧，每次轧制减少0.3-0.5 mm。

铸态TiVNbAl_0.5 LRHEA的微观结构

图1展示了铸态TiVNbAl_0.5 LRHEA的微观结构。如XRD图（图1a）所示，仅检测到一组对应于BCC结构的衍射峰。这与EBSD得到的相组成图（图1a中的插图）一致。倒极图（IPF）和核平均错位（KAM）图（图1b）显示了晶粒尺寸均匀、晶体取向随机分布的等轴晶粒结构。

冷轧过程中TiVNbAl_0.5 LRHEA的B2纳米结构消亡和位错异质性的形成

图5、S2e和S5的实验结果表明，B2纳米结构的细化和最终消亡伴随着位错密度的显著增加和微观应变的增加。

为了阐明这种消亡机制，研究了含有B2纳米结构和位错的30%CR合金的特定区域。图9a-c中用黄色箭头标记的位错“A”在不同衍射条件下被成像。

结论

在本研究中，我们通过单步冷轧过程在TiVNbAl_0.5轻质耐火高熵合金中建立了由B2纳米结构介导的双重异质结构，实现了比强度和延展性的优异结合。主要结论如下：

(1)

冷轧过程中位错与B2纳米结构之间的相互作用导致它们分解为部分位错和反相边界。尽管空间上均匀，但尺寸不均匀

CRediT作者贡献声明

唐宇：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、方法论、资金获取、正式分析。沈伟健：撰写 – 初稿撰写、方法论、实验研究、正式分析、概念构思。余晓青：可视化处理、方法论、数据管理。范一静：方法论、数据管理。何静芝：数据管理。沈博航：验证。雷志峰：撰写 – 审稿与编辑、方法论、正式分析

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。

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

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52471190）；湖南省自然科学基金（项目编号：2024JJ2060）的财政支持。本工作的材料研究（广州）有限公司的

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