西安交大：突破傳統認知！跨溫域難熔高熵合金領域取得新進展

在航空航天、核能以及先進制造等前沿領域，結構材料需要在從深冷到高溫的復雜環境中長期穩定服役。然而，傳統合金普遍存在“強度–韌性”矛盾：強度提升往往伴隨延展性降低，且在高溫下強度衰減尤為明顯。難熔高熵合金（RHEAs）由Nb、Ta、Mo、W、Hf等高熔點元素組成，憑借其優異的高溫性能備受關注，但迄今仍難以在寬溫域內兼顧高強度與高延展性。近年來，異質結構金屬材料因其可誘發“異質變形誘導強化（HDI）”效應而備受矚目，為解決強度–韌性矛盾提供了新思路。

基于這一理念，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室材料創新與設計中心（CAID）丁俊教授、馬恩教授團隊設計出一種可冷加工的Nb–Ta–Ti–Hf基難熔高熵合金（成分：Nb??.?Ta??Ti??Hf??Re?.?B?.?）。研究人員采用冷軋+退火的熱機械處理工藝，成功構筑出一種熱穩定的異質晶粒結構，由納米級超細晶、細晶和殘余變形晶協同組成，形成力學性能梯度（圖1）。實驗結果顯示，該合金在77 K低溫下抗拉強度超過1.8 GPa，延展率保持在約10%；在973 K高溫下仍能維持超過900 MPa的抗拉強度，刷新了單相固溶體類合金的紀錄。進一步的原位力學和顯微分析揭示，這種優異性能源于HDI強化機制：在軟硬區域的變形過程中發生應變分配與位錯累積，在界面處形成反向與正向內應力，顯著提升了加工硬化能力（圖2）。值得強調的是，該機制不僅在室溫和低溫下有效，而且在高溫條件下依然能夠持續發揮作用。

該研究首次證明了HDI強化機制在高達973 K條件下仍然有效，突破了傳統認知。更為重要的是，研究發現這種異質結構在973 K長時間退火后仍保持穩定，得益于此難熔高熵合金的高熔點及多主元體系帶來的慢擴散效應。這一特性使得合金在高溫環境下仍能保持結構穩定性和力學性能，并展示了一種可推廣的合金設計思路：通過調控微結構異質性實現跨溫域的強度–韌性協同。這一成果為下一代極端環境服役材料的研發提供了新的方向與重要啟示。

圖1. 異質結構難熔高熵合金的微觀組織和寬溫域范圍內拉伸力學性能

圖2.異質結構難熔高熵合金在不同溫度下的斷裂樣品的EBSD和TEM表征

日前，該研究成果以《熱穩定性異質晶粒難熔高熵合金在77 K至973 K溫度范圍內具有卓越強度》（Thermally stable heterogeneous-grained refractory high-entropy alloy offering superior strength from 77 to 973 K）為題發表于《納米快報》（Nano Letters）。西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室為論文第一通訊單位，西安交通大學材料科學與工程學院博士研究生安雅瓊為論文第一作者，材料學院丁俊教授、天目山實驗室章程教授和加州大學伯克利分校 Robert Ritchie 教授為共同通訊作者，合作者還包括材料學院馬恩教授。該工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金及國家級青年人才項目的資助支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c04691

本文來自：西安交大。