航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等裝備的制造迫切需要高溫強(qiáng)度優(yōu)異的金屬結(jié)構(gòu)材料。隨著熱轉(zhuǎn)換效率的增加，煤電燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室、渦輪工作葉片以及渦輪盤等熱端部件對(duì)高溫合金的力學(xué)性能要求不斷提高，噴射到葉片上的氣體溫度超過(guò)1300 ℃；可以推動(dòng)高超聲速飛行器以高馬赫數(shù)飛行的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃燒室內(nèi)壁材料面臨著1800 ℃以上的超高溫極端環(huán)境。傳統(tǒng)的耐高溫合金難以適應(yīng)如此高的服役溫度，面向高溫服役環(huán)境的金屬結(jié)構(gòu)材料亟待開發(fā)。

如何讓金屬既耐高溫又高強(qiáng)度呢？難熔高熵合金（Refractory high entropy alloys, RHEAs）的發(fā)現(xiàn)，使這一問(wèn)題有了新的解法。高熵合金（High entropy alloys, HEAs）是由4種或4種以上元素以等摩爾比或近似等摩爾比組成的具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的合金[1]。與傳統(tǒng)合金不同，高熵合金沒(méi)有主體元素，傾向于形成簡(jiǎn)單固溶體結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)度、高耐磨、抗腐蝕、耐高低溫、抗輻照等優(yōu)異性能[2−5]，引起了人們的極大關(guān)注。其中，主要由難熔金屬元素（如鎢(W)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鉿(Hf)、釩(V)、鋯(Zr)和鈦(Ti)等）組成的難熔高熵合金具有優(yōu)異的耐高溫性能[6−8]，如NbMoTaW合金和NbMoTaWV合金在1600 ℃下的屈服強(qiáng)度超過(guò)400 MPa[9]，NbMoTaWHfN合金在1800 ℃下的屈服強(qiáng)度達(dá)到288 MPa，有望成為新一代高溫金屬結(jié)構(gòu)材料[10]。

1.   高溫對(duì)金屬的影響

在討論難熔高熵合金優(yōu)異耐高溫性能之前，需要了解金屬在高溫下會(huì)發(fā)生哪些變化。金屬在高溫下會(huì)發(fā)生熔化、固態(tài)相變、擴(kuò)散、回復(fù)和再結(jié)晶等現(xiàn)象。在力學(xué)性能上產(chǎn)生軟化、蠕變等變化。

熔化

眾所周知，當(dāng)環(huán)境溫度高于金屬的熔點(diǎn)時(shí)，金屬會(huì)熔化，從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。所以，作為結(jié)構(gòu)材料使用的金屬，其服役溫度是不允許高于其熔點(diǎn)的。舉個(gè)例子，圖1(a)所示為鋁(Al)–鎂(Mg)合金相圖，可以看出純鋁的熔點(diǎn)是660 ℃，鋁鎂合金的熔點(diǎn)在450~660 ℃。平時(shí)使用的鋁合金制品，使用溫度是不允許超過(guò)450 ℃的，否則將會(huì)熔化發(fā)生危險(xiǎn)。如遇到火災(zāi)時(shí)，鋁合金窗戶會(huì)熔化。

固態(tài)相變

金屬固態(tài)材料在溫度改變時(shí)，其內(nèi)部組織或結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，即發(fā)生從一種相狀態(tài)到另一種相狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變就是固態(tài)相變。以鐵(Fe)–碳(C)合金相圖為例，如圖1(b)所示，共析鋼在常溫時(shí)具有珠光體組織，加熱到736 ℃以上時(shí)，珠光體開始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。這是由于鐵在不同溫度區(qū)間具有不同晶格類型導(dǎo)致的。含碳原子分?jǐn)?shù)為3.12%的共析鋼，736 ℃以下具有體心立方結(jié)構(gòu)，736 ℃以上具有面心立方結(jié)構(gòu)。固態(tài)相變過(guò)程中會(huì)發(fā)生奧氏體的形成與晶粒長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程。

擴(kuò)散

由于熱運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致原子在介質(zhì)中遷移的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。在金屬固態(tài)材料中，擴(kuò)散是質(zhì)量傳輸?shù)奈ㄒ煌緩?，表現(xiàn)為元素分布的變化和有序程度的變化，如滲碳處理和均勻化處理。擴(kuò)散機(jī)制主要分為間隙機(jī)制、空位機(jī)制、填隙機(jī)制、直接換位和環(huán)形換位機(jī)制等。擴(kuò)散主要受到溫度、晶體結(jié)構(gòu)類型、晶體缺陷、化學(xué)成分的影響。其中，溫度升高，原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，擴(kuò)散系數(shù)很快地提高。

回復(fù)和再結(jié)晶

金屬在經(jīng)過(guò)冷塑性變形后，其組織和性能發(fā)生變化，變形金屬內(nèi)產(chǎn)生各種類型的缺陷。當(dāng)溫度升高時(shí)，金屬原子獲得足夠活性，冷變形金屬會(huì)自發(fā)向低能穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變，組織和性能發(fā)生改變，轉(zhuǎn)變過(guò)程分為回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大3個(gè)階段?；貜?fù)階段溫度較低，一般是0.3~0.5Tm (Tm為金屬熔點(diǎn)溫度)，顯微組織幾乎不發(fā)生變化，晶粒仍保持冷變形后的纖維狀組織，如去應(yīng)力退火。再結(jié)晶階段比回復(fù)階段溫度高，變形晶粒通過(guò)形核和長(zhǎng)大過(guò)程，完全轉(zhuǎn)變成新的無(wú)畸變的等軸晶粒。晶粒長(zhǎng)大階段溫度最高，等軸晶粒邊界繼續(xù)移動(dòng)，晶粒粗化，直至達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的形狀和尺寸。

軟化

金屬材料在高溫下會(huì)發(fā)生軟化，表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度降低，主要與原子熱運(yùn)動(dòng)、位錯(cuò)滑移、相變等相關(guān)。金屬軟化后，塑性、韌性會(huì)提高，但是強(qiáng)度和硬度會(huì)降低。金屬的軟化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不同的金屬具有不同的軟化機(jī)制。高溫時(shí)位錯(cuò)密度會(huì)降低，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力降低，金屬變形更加容易，表現(xiàn)為金屬變軟。高溫下金屬材料的晶界松弛，非金屬夾雜物和碳化物等不斷擴(kuò)散進(jìn)入晶界和晶內(nèi)，降低對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用，也會(huì)使金屬變軟。此外，具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬還可以通過(guò)相變變軟，如鋼在高溫下會(huì)相變成較軟的奧氏體，使熱加工變得容易。

蠕變

蠕變是金屬在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。高溫長(zhǎng)時(shí)作用下金屬的強(qiáng)度隨載荷持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)而降低。一般采用約比溫度（T/Tm）定義特定金屬的溫度高低，其中T為試驗(yàn)溫度，單位為熱力學(xué)溫度K。當(dāng)試驗(yàn)溫度高于0.3Tm時(shí)蠕變已經(jīng)產(chǎn)生，試驗(yàn)溫度高于0.5Tm時(shí)蠕變加速。蠕變主要是通過(guò)位錯(cuò)滑移。原子擴(kuò)散等機(jī)理進(jìn)行的。

2.   難熔高熵合金研究進(jìn)展

2.1   概念發(fā)展

高熵合金的概念是從2004年開始不斷發(fā)展起來(lái)的[11]。最初的概念是，將合金組元增加到5種及5種以上，每種元素摩爾分?jǐn)?shù)在5%~35%之間，這使得合金的混合熵提高，阻礙了復(fù)雜金屬間化合物的生成，形成了簡(jiǎn)單固溶體結(jié)構(gòu)。如CrMnFeCoNi合金具有簡(jiǎn)單面心立方（Face centered cubic, FCC）固溶體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度得到提升[12]。Ma等[13]在2003年研究共晶合金中玻璃形成能力與共晶耦合帶關(guān)系時(shí)，也使用過(guò)高熵的概念。隨著研究的深入，由4種或4種以上元素以等摩爾比或近似等摩爾比組成的具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的合金也被稱為高熵合金，如NbMoTaW高熵合金[6]。在此之后，高熵合金的概念和理論不斷發(fā)展，合金體系也不斷豐富。

那么，什么是熵？高熵合金的熵為什么高？高熵化之后又有什么效果呢？熵是熱力學(xué)中表達(dá)物質(zhì)體系混亂程度的參量，混亂度越高則熵越大。高熵合金的組元多，每種元素的含量又近似，當(dāng)高熵合金各元素以等摩爾組成時(shí)，合金的熵最大。高熵合金一般具有簡(jiǎn)單固溶體結(jié)構(gòu)，如FCC結(jié)構(gòu)、體心立方（Body centered cubic, FCC）結(jié)構(gòu)、密排六方（Hexagonal close-packed, HCP）晶體結(jié)構(gòu)。與非晶合金的區(qū)別在于，高熵合金結(jié)構(gòu)有序、成分無(wú)序，非晶合金結(jié)構(gòu)無(wú)序、成分無(wú)序。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)析出相和第二相也可以起到強(qiáng)化作用。如Lu等[14]提出的AlCoCFeNi系共晶高熵合金，兼具優(yōu)異的組織穩(wěn)定性、力學(xué)性能、鑄造性能和耐蝕性能，通過(guò)調(diào)控較軟的FCC相和較硬的BCC相的共晶組織，提高合金鑄造性能和機(jī)械性能，有望通過(guò)鑄造的方法制造大型零部件。高熵合金設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)合金不同，使得每一種組元都不占據(jù)主導(dǎo)地位，每一組元的特性都會(huì)影響到合金的組織結(jié)構(gòu)與性能。高熵合金具有：熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)，促進(jìn)高熵固溶體的形成；結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)，引起固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度；動(dòng)力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)，提高合金穩(wěn)定性；性能上的雞尾酒效應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)成分優(yōu)化合金各項(xiàng)性能[15]。這使得高熵合金具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、耐高低溫、抗輻照等性能特點(diǎn)。

高熵合金按照組成元素在周期表中的位置分類，可以分為3d過(guò)渡族高熵合金、難熔高熵合金、4f鑭系高熵合金、貴金屬高熵合金、非金屬元素?fù)诫s高熵合金等。其中，難熔高熵合金是主要由難熔金屬元素組成的高熵合金，具有優(yōu)異的耐高溫性能，如熱穩(wěn)定性、高溫高強(qiáng)度、高溫高韌性、高紅硬性等。難熔高熵合金于2010年首次提出，目前報(bào)告的難熔高熵合金已超過(guò)180個(gè)[16]。這其中，NbMoTaW系難熔高熵合金[6]和HfZrTi系難熔高熵合金[17]獲得了廣泛研究。NbMoTaW系難熔高熵合金在高溫下表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度，但在室溫下是脆性的[9]。相比之下，HfZrTi系難熔高熵合金在室溫下表現(xiàn)出大的延展性，但在高溫下比NbMoTaW系難熔高熵合金具有較低的強(qiáng)度[18]。

2.2   計(jì)算模擬

由于組成元素繁多、成分配比復(fù)雜，即使微量的變化也會(huì)引起難熔高熵合金組織與性能巨大的差異。使用模擬計(jì)算方法可以有效幫助設(shè)計(jì)難熔高熵合金。

（1）第一性原理計(jì)算

第一性原理計(jì)算是在量子力學(xué)和密度泛函理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種材料計(jì)算方法。“第一性”是指不需要任何實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，只需要知道材料的一些基本的物理常量就可以直接求解薛定諤方程從而完成對(duì)材料的基本性質(zhì)預(yù)測(cè)。常見的第一性原理計(jì)算內(nèi)容包括對(duì)材料的能量（自由能、擴(kuò)散能、結(jié)合能等）、結(jié)構(gòu)（晶格常數(shù)、結(jié)構(gòu)因子、配位數(shù)、密度等）、力學(xué)（模量、硬度、強(qiáng)度、層錯(cuò)能等）、電子結(jié)構(gòu)（電子態(tài)密度、局域電荷密度）等諸多性質(zhì)的計(jì)算。VASP（Vienna ab-initio simulation package）常被用來(lái)計(jì)算高熵合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)參數(shù)、晶格畸變、彈性、硬度、泊松比、層錯(cuò)能、電子結(jié)構(gòu)、磁性等多方面的性質(zhì)，是預(yù)測(cè)高熵材料各種性質(zhì)的強(qiáng)有力的方法。同時(shí)，VASP還可預(yù)測(cè)在極端高壓下高熵合金材料的各種性質(zhì)。通過(guò)相干勢(shì)近似建模方法使EMTO （Exact muffin-tin orbitals）方法，可以描述任意成分，且模擬的結(jié)構(gòu)是真正的無(wú)序固溶結(jié)構(gòu)。Dai等[19]借助EMTO-CPA（Coherent potential approximation）對(duì)基于TiZrHfNbX系難熔高熵合金的相穩(wěn)定性和彈性性質(zhì)進(jìn)行了研究。Mo等[20]使用VASP和EMTO計(jì)算了NbMoTaWHfx難熔高熵合金的局部晶格畸變和力學(xué)性能。

（2）相圖計(jì)算

熱力學(xué)相圖計(jì)算（Calculation of phase diagram, CALPHAD）是一種應(yīng)用成熟的相圖預(yù)測(cè)方法，在材料的組織成分設(shè)計(jì)、相轉(zhuǎn)變溫度計(jì)算、析出相分析以及成分偏析控制等方面有廣泛應(yīng)用。常用的相圖計(jì)算軟件是Thermo-Calc、JMatPro、FactSage和PANDAT。利用相圖計(jì)算軟件，可以計(jì)算難熔高熵合金對(duì)應(yīng)成分的相種類、相比例、相轉(zhuǎn)變溫度、溶質(zhì)分配等一系列重要信息，從而根據(jù)需求設(shè)計(jì)出合適的組織成分，制定工藝參數(shù)。如圖2所示，Mo等[20]和Sun等[21]使用Thermo-Calc軟件分別計(jì)算了NbMoTaWHf1.33和W20Ta30Mo20C30難熔高熵合金的熱力學(xué)相圖。

（3）機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning, ML）方法通過(guò)利用特定的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索學(xué)習(xí)，尋找全局最優(yōu)解，并保證求解過(guò)程的效率，已被用于搜索具有目標(biāo)性能的高熵合金，包括硬度、熱性能和機(jī)械性能。以合金成分、模量、密度、混合熵、測(cè)試溫度等25個(gè)特征參量為輸入，建立隨機(jī)森林模型，對(duì)不同溫度下高熵合金的屈服強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，機(jī)器學(xué)習(xí)的精度可以超過(guò)95%，研究人員利用該模型對(duì)MoNbTaTiW、HfMoNbTaTiZr 2種典型難熔高熵合金800、1200、1500 ℃的屈服強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，最高誤差不超過(guò)7.7%，體現(xiàn)了模型良好的泛化性。

2.3   組織結(jié)構(gòu)與室溫力學(xué)性能

鑄態(tài)難熔高熵合金通常具有單相BCC結(jié)構(gòu)，也有部分是BCC+FCC雙相結(jié)構(gòu)或者BCC+HCP雙相結(jié)構(gòu)。顯微組織一般呈樹枝晶組織或粗大晶粒。

Senkov等[6]選用高熔點(diǎn)金屬元素制備了NbMoTaW難熔高熵合金，該合金由單相BCC結(jié)構(gòu)固溶體組成，呈樹枝晶組織，晶界處存在少量偏析。該合金室溫屈服強(qiáng)度為1058 MPa，塑性差，最大壓縮應(yīng)變?yōu)?.5%，失效模式為縱向裂紋擴(kuò)展[9]。添加V元素后，NbMoTaWV難熔高熵合金仍為單相BCC結(jié)構(gòu)，呈樹枝晶組織，Mo、V、Nb元素傾向于分布在晶界處。該合金室溫屈服強(qiáng)度增加到1246 MPa，塑性仍然較差，最大壓縮應(yīng)變僅為0.5%，失效模式仍為縱向裂紋擴(kuò)展。為提升NbMoTaW難熔高熵合金的強(qiáng)度和塑性，Han等[22]設(shè)計(jì)了單相BCC結(jié)構(gòu)的TixNbMoTaWV系列難熔高熵合金，室溫塑性提升到11.5%，屈服強(qiáng)度提升到1455 MPa。Ti元素的加入提高了晶界內(nèi)聚力，抑制了裂紋向晶間擴(kuò)展，失效模式變?yōu)榇┚嗔?。萬(wàn)義興[23]在NbMoTaW合金中添加Hf、Zr元素，發(fā)現(xiàn)合金變?yōu)殡p相結(jié)構(gòu)。NbMoTaWHf合金和NbMoTaWZr合金的屈服強(qiáng)度分別提升至1551和1607 MPa，塑性應(yīng)變提升至3.8%和12.5%。析出的第二相致使晶粒細(xì)化，增加相界，從而阻礙位錯(cuò)的滑移，提高強(qiáng)度。添加非金屬元素促進(jìn)陶瓷相的生成，普遍可以提高NbMoTaW系難熔高熵合金的力學(xué)性能[23]。通過(guò)調(diào)節(jié)(NbMoTaW)100−xCx合金的碳含量，Wan等[24]開發(fā)了FCC結(jié)構(gòu)碳化物強(qiáng)化的難熔高熵合金。其中NbMoTaWC合金由BCC結(jié)構(gòu)高熵合金相和FCC結(jié)構(gòu)碳化物相組成，顯微組織為共晶組織，晶粒尺寸由NbMoTaW合金的118降至4 μm，屈服強(qiáng)度提升至1753 MPa。

HfZrTi系難熔高熵合金展現(xiàn)出更好的塑性。Senkov等[18]通過(guò)電弧熔煉和熱等靜壓制備了單相BCC結(jié)構(gòu)TaNbHfZrTi難熔高熵合金，屈服強(qiáng)度僅有929 MPa，但是拉伸塑性卻驚人的高于50%。顯微組織為等軸晶組織，晶粒尺寸為100~200 μm。Lei等[25]在TiZrHfNb合金中添加了原子分?jǐn)?shù)2%的氧（O）元素，合金為單相BCC結(jié)構(gòu)，顯微組織為等軸晶組織，拉伸塑性從14.2%提高到了27.6%，屈服強(qiáng)度也從750 MPa提升到1110 MPa。間隙氧原子對(duì)強(qiáng)韌化起到?jīng)Q定性作用，合金基體中形成了有序氧復(fù)合體結(jié)構(gòu)，可以釘扎位錯(cuò)，使位錯(cuò)從易于產(chǎn)生應(yīng)力集中的平面滑移轉(zhuǎn)變?yōu)榭纱龠M(jìn)變形均勻性的波浪滑移，提高了位錯(cuò)增殖速率，從而提高了加工硬化能力和拉伸塑性。添加等摩爾Al元素后，AlTiZrNbHf合金中過(guò)飽和的Al元素導(dǎo)致合金轉(zhuǎn)變?yōu)殡pBCC相結(jié)構(gòu)，樹枝晶組織細(xì)化，屈服強(qiáng)度提升至1245 MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?5%[26]。低熔點(diǎn)的Al元素與Ti和Zr元素有較大的鍵合，凝固時(shí)高熔點(diǎn)的Nb和Hf元素先形成樹枝晶，Al、Ti和Zr元素在晶間析出，從而形成第二種BCC相。細(xì)小雙相結(jié)構(gòu)提供了更多的相界，提高了合金的強(qiáng)度。

2.4   高溫力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

由于雞尾酒效應(yīng)，主要由難熔金屬元素組成的難熔高熵合金具有較好的高溫力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這些性質(zhì)使其具有廣闊的高溫應(yīng)用前景。

NbMoTaW和NbMoTaWV難熔高熵合金在1600 ℃表現(xiàn)出與室溫情況截然相反的大塑性，壓縮屈服強(qiáng)度分別達(dá)到驚人的405和477 MPa，遠(yuǎn)高于高溫合金Inconel 718[9]。中子衍射分析結(jié)果表明，即使在1400 ℃保溫19 h，這2種合金仍保持與鑄態(tài)合金一致的單相BCC結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)無(wú)變化，這2種合金具有超高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Wan等[27]研究了NbMoTaWTi難熔高熵合金的高溫力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其1600 ℃壓縮屈服強(qiáng)度為173 MPa，壓縮至25%應(yīng)變量仍未斷裂，呈塑性變形。在室溫~2000 ℃溫度區(qū)間，該合金具有穩(wěn)定的單相BCC結(jié)構(gòu)?？梢姡琋bMoTaW系難熔高熵合金雖然室溫脆性大，但是其韌脆轉(zhuǎn)變溫度高于室溫，在高溫下會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性材料。通過(guò)控制第二相分布，可以提高難熔高熵合金的高溫強(qiáng)度。Wan等[10]設(shè)計(jì)了一種氮化物增強(qiáng)的NbMoTaWHfN難熔高熵合金，該合金1000、1400和1800 ℃的壓縮屈服強(qiáng)度分別為1192、792和288 MPa。BCC相基體中彌散分布的氮化物相在室溫和超高溫時(shí)均有效細(xì)化晶粒，致使晶界和相界增多，阻礙了位錯(cuò)的開動(dòng)，從而導(dǎo)致屈服強(qiáng)度提高。Sun等[21]設(shè)計(jì)的W20Ta30Mo20C30難熔高熵合金由BCC、HCP、FCC 3種相組成，其1600和2000 ℃壓縮屈服強(qiáng)度分別到達(dá)驚人的1257和222 MPa，如圖3所示。高溫壓縮時(shí)，陶瓷相和固溶體相互析出，阻礙了高溫軟化變形。如圖4所示，BCC相和HCP相的高溫變形是由位錯(cuò)滑移和相變誘導(dǎo)塑性貢獻(xiàn)的；FCC相的高溫變形則是由孿晶和相變誘導(dǎo)塑性貢獻(xiàn)的。

Senkov等[18]研究了HfNbTaTiZr難熔高熵合金不同溫度的組織和力學(xué)性能。800 ℃壓縮屈服強(qiáng)度為535 MPa，斷口可觀察到沿晶斷裂產(chǎn)生的空化和明顯的裂紋擴(kuò)展。1000 ℃和1200 ℃壓縮屈服強(qiáng)度分別為295 MPa和92 MPa，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶使其主要軟化機(jī)制，變形過(guò)程中形成細(xì)小的等軸晶結(jié)構(gòu)。高溫變形后晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，仍為單相BCC結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，用Mo元素替換Nb元素，Juan等[28]設(shè)計(jì)了HfMoTaTiZr難熔高熵合金，其室溫、800、1000和1200 ℃屈服強(qiáng)度分別為1600、1045、855和404 MPa，相比于HfNbTaTiZr難熔高熵合金屈服強(qiáng)度顯著提高。但是室溫壓縮斷裂應(yīng)變僅為4%，800 ℃壓縮斷裂應(yīng)變僅為19%，HfNbTaTiZr難熔高熵合金塑性顯著下降。

2.5   其它性能

抗氧化性差是難熔金屬工程應(yīng)用時(shí)存在的主要問(wèn)題之一，難熔高熵合金繼承了這一弱點(diǎn)[29]。有氧環(huán)境中，300 ℃時(shí)Ta元素就開始氧化，350 ℃時(shí)Nb元素劇烈氧化，400 ℃時(shí)Mo和W發(fā)生氧化。王鑫等[30]研究了NbMoTaWTi/Zr難熔高熵合金的高溫氧化行為，2種合金在700 ℃以上均發(fā)生了劇烈的氧化反應(yīng)，在1200 ℃恒溫氧化時(shí)都以氧向內(nèi)擴(kuò)散為主，Ti和Zr元素的添加并未使合金發(fā)生選擇性氧化，主要是因?yàn)楫a(chǎn)生的復(fù)合氧化層致密度不夠，阻止氧化能力不足。通過(guò)包埋滲工藝，Kuang等[31]在NbMoTaW難熔高熵合金表面成功制備了具有抗氧化性的(NbMoTaW)Si2涂層，涂層厚度為70~120 μm。在1300 ℃空氣環(huán)境中保持24 h后，合金基體未發(fā)生氧化。硅優(yōu)先氧化生成致密的SiO2，WSi2析出相抑制了SiO2層與合金基體的相互擴(kuò)散。

以難熔金屬為主要組成元素的難熔高熵合金，在抗輻照方面潛力較大，在核結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料在高能粒子轟擊下會(huì)產(chǎn)生輻照硬化和脆化、輻照位錯(cuò)環(huán)、輻照腫脹、輻照誘導(dǎo)偏析或析出等一系列輻照效應(yīng)。Lu等[32]發(fā)現(xiàn)Ti2ZrHfV0.5Mo0.2難熔高熵合金具有優(yōu)異的抗輻照性能，在600 ℃經(jīng)3 MeV氦離子輻照后幾乎不發(fā)生硬化，晶格常數(shù)在長(zhǎng)時(shí)間輻照后反常地減小，合金內(nèi)部高密度的晶格空位和缺陷導(dǎo)致其特殊的抗輻照性能。Chang等[33]發(fā)現(xiàn)HfNbTaTiZr難熔高熵合金具有抗輻照硬化和抗輻照腫脹性能。與傳統(tǒng)核材料相比，在100 ℃經(jīng)300 keV Ni離子輻照后，該合金腫脹和硬化效應(yīng)不明顯。

3.   結(jié)束語(yǔ)

金屬在高溫下會(huì)發(fā)生熔化、固態(tài)相變、擴(kuò)散、回復(fù)和再結(jié)晶等現(xiàn)象。在力學(xué)性能上產(chǎn)生軟化、蠕變等變化。通過(guò)材料計(jì)算模擬可以大量計(jì)算預(yù)測(cè)合金的相結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，從而快速篩選出性能優(yōu)異的難熔高熵合金。通過(guò)對(duì)難熔高熵合金組織結(jié)構(gòu)的調(diào)控，可以顯著提升其室溫和高溫的綜合力學(xué)性能。難熔高熵合金既具有耐高溫又具有高強(qiáng)度的優(yōu)異性能，為航空航天能源等領(lǐng)域高溫裝備提供了新的材料解決方案，在高溫金屬結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域具有重要戰(zhàn)略意義。

文章來(lái)源——金屬世界