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具有優異高溫強度的韌性0.4MoNbxTaTi難熔高熵合金

具有優異高溫強度的韌性0.4MoNbxTaTi難熔高熵合金

供稿人:孫嘯宇 張航 供稿單位:西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室  發布日期:2021-09-26
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近來,難熔高熵合金由于其在極高溫度下的應用前景,正越來越受到人們的重視。但是由于高溫下高強度與環境溫度下良好的塑性之間的不協調性,使得難熔高熵合金的應用受到很大限制。

南京航空航天大學材料科學與技術學院的研究者們利用高熔點元素W、Mo、Nb、Ta、Ti,并采用真空電弧熔煉的方法制備了W0.4MoNbxTaTi(x=1.1,1.3,1.5)高熵合金。其表現出優異的高溫強度并且在室溫下也有非常好的強度和延展性。 不同溫度下不同溫度下W0.4MoNbxTaTi合金的真實壓縮應力—應變曲線和熱壓微結構如下圖1所示。

圖1 W0.4MoNbxTaTi合金在不同溫度下的真實應力—應變曲線和掃描電鏡圖像

從圖中可以看出W0.4MoNbxTaTi合金在室溫下有良好的延展性,斷裂應變在32%—39%之間,屈服強度分別為1412MPa(Nb1.1)、1334MPa(Nb1.3)和1312MPa(Nb1.5)。隨著溫度的升高,屈服強度顯著下降。這是因為高溫提供了能量,較高的能量會促進位錯甚至晶界的運動,導致屈服強度的降低。盡管強度降低,合金在1373K的時候仍保持高的屈服強度(Nb1.1 585MPa;Nb1.3 425MPa;Nb1.5 503MPa)。 右邊的掃描電鏡圖像可以看出裂紋開始于晶界,然后沿晶界擴展,同時一些裂紋擴展到晶粒中。隨著溫度的升高,裂紋的擴展受到抑制。在變形過程中,出現應力集中,導致局部能量急劇增加。當應力集中達到一定值時,開始出現裂紋擴展,釋放能量。隨著測試溫度的升高,原子活性和位錯遷移率顯著升高。因此,局部應力集中可以得到有效緩解,抑制裂紋的萌生和擴展。

圖2為W0.4MoNbxTaTi合金與報道的其他高熵合金機械性能和比屈服強度的比較,可以發現W0.4MoNbxTaTi合金不管在室溫下還是高溫下是強度和塑性的折中,具有廣闊的應用前景。

圖2 W0.4MoNbxTaTi合金與其他HEAs機械性能和比屈服強度的比較:(a)室溫;(b)1073K;(c)1273K;(d)比屈服強度的溫度相關性;

參考文獻:

  1. [1]Wei Wenchao,Wang Tao,Wang Chunyu,Wu Meng,Nie Yunpeng,Peng Jun. Ductile W0.4MoNbxTaTi refractory high-entropy alloys with excellent elevated temperature strength[J]. Materials Letters,2021,295.
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