沉淀强化的难熔高熵合金中的超慢粗化现象

《Scripta Materialia》：Ultra-slow coarsening in precipitation-strengthened refractory high-entropy alloys

研究了一种添加1% Zr的Ta-Mo-Ti基高熵合金（TMT-8Cr-10Al-1Zr），发现Zr显著改变B2相形貌为球形且数量密度增加，晶格失配δ接近零，导致在1000℃下析出动力学速率极低（48±4 nm3/h），较未添加Zr的合金（77±4 nm3/h）降低60%。通过APT分析证实Zr优先偏聚于B2相，结合高熔点（2282℃）实现优异高温稳定性，同时保持共格界面特性，提升合金抗蠕变潜力。

　　本文探讨了在高熵合金中，添加微量的锆（Zr）对B2析出相的热稳定性及粗化动力学的影响。研究对象是一种具有A2-B2微观结构的难熔高熵合金，其组成是27.3Ta-27.3Mo-27.3Ti-8Cr-10Al（原子百分比）。研究发现，Zr的添加不会引起其他金属间化合物的形成，但会显著改变B2析出相的形貌，使其从立方体/细长形状转变为球形，并且析出相的密度也有所增加。尽管在接近析出相溶解温度的条件下发生粗化，但Zr的加入使得粗化速率显著降低，这主要归因于该合金体系的固相线温度较高，而非仅由晶格失配或析出相形貌所决定。研究结果表明，通过调整析出相特性，可以有效提升B2析出相的微观结构稳定性以及在先进体心立方（BCC）超合金中的蠕变抗性。

高熵合金因其独特的性能和应用潜力而受到广泛关注。这类合金通常由多种元素组成，具有良好的高温强度和抗氧化能力，使其成为高温结构材料的理想选择。然而，高熵合金的性能高度依赖于其微观结构的稳定性，尤其是在高温环境下的长期使用中。析出相的形态和稳定性对材料的机械性能有着深远的影响，特别是在蠕变抗性和热稳定性方面。研究发现，B2析出相在Zr添加后表现出更高的稳定性，其形貌变化和析出相密度的增加表明Zr在B2相中的偏析行为。这一现象可能与Zr对晶格参数的影响有关，进而影响析出相与基体之间的晶格失配。

在材料科学中，析出相的粗化行为通常由析出相与基体之间的晶格失配以及析出相的形态共同决定。晶格失配会增加弹性应变能，从而推动析出相的粗化。而析出相的形态，如球形或细长形，也会影响其粗化速率。球形析出相通常被认为具有更好的热稳定性和更慢的粗化速率，因为其晶格失配较小，弹性应变能较低。在本研究中，Zr的加入显著降低了析出相与基体之间的晶格失配，使得析出相更倾向于形成球形结构，从而减少了弹性应变能，提高了热稳定性。此外，Zr的偏析行为还增加了析出相的密度，进一步提升了材料的强度和抗蠕变性能。

实验方法采用了多种先进的材料表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和原子探针断层扫描（APT）。这些技术用于分析析出相的形态、分布以及化学组成。研究发现，Zr主要富集在B2析出相中，而Ta和Mo则主要富集在A2基体中。Cr则在两个相中均匀分布。通过APT分析，研究人员还发现B2析出相主要由Ti、Al和Zr组成，而A2基体则富含Ta和Mo。这种元素分布的差异进一步支持了Zr在B2相中的偏析行为。

在热稳定性方面，研究显示Zr的添加使得析出相的粗化速率显著降低。这是由于Zr的偏析行为降低了析出相与基体之间的晶格失配，从而减少了弹性驱动力。此外，Zr的加入还提高了合金的固相线温度，使得在相同温度下，析出相的扩散速率降低，从而减缓了粗化过程。相比之下，其他合金体系（如Ni和Cr基超合金）在相同的粗化条件下表现出更快的粗化速率，这可能与它们的固相线温度较低有关。

研究还探讨了析出相的粗化动力学与材料性能之间的关系。粗化速率是材料性能的重要指标，尤其是在高温应用中。较高的粗化速率可能导致析出相的尺寸增大，从而降低其强化效果。相反，较低的粗化速率有助于保持析出相的细小分布，提高材料的强度和抗蠕变能力。因此，通过调控析出相的特性，如晶格失配和形貌，可以有效提升材料的热稳定性和机械性能。

在实验过程中，研究团队对两种合金（TMT-8Cr-10Al和TMT-8Cr-10Al-1Zr）进行了系统的粗化研究。两种合金均在1000°C下进行了等温时效处理，时效时间从10小时延长至1000小时。通过高分辨率SEM图像分析，研究人员发现Zr添加的合金（TMT-8Cr-10Al-1Zr）在时效过程中保持了稳定的球形析出相，而Zr未添加的合金（TMT-8Cr-10Al）则表现出方向性粗化，析出相逐渐变长。这种形貌的变化可能与析出相与基体之间的晶格失配有关，而Zr的加入有效降低了这种失配，从而抑制了方向性粗化。

此外，研究还分析了析出相的粗化速率与热力学参数之间的关系。通过将粗化速率与同质温度（homologous temperature）进行对比，研究人员发现TMT-8Cr-10Al-1Zr的粗化速率远低于其他合金体系，尤其是在较高的同质温度下。这表明，通过提高合金的固相线温度，可以有效降低析出相的扩散速率，从而减缓粗化过程。这种策略为设计具有更优热稳定性和机械性能的先进BCC超合金提供了新的思路。

研究还指出，析出相的粗化行为不仅受晶格失配和形貌的影响，还与合金的组成、元素扩散速率以及析出相与基体之间的界面能有关。在本研究中，Zr的加入显著降低了析出相与基体之间的界面能，从而抑制了粗化行为。此外，Zr的偏析行为还增加了析出相的密度，进一步提升了材料的强度。这些结果表明，通过微合金化调控析出相的特性，可以有效提高高熵合金的热稳定性和机械性能。

从应用角度来看，这种改进的热稳定性和机械性能对于高温结构材料具有重要意义。在高温环境下，材料的性能往往会受到析出相粗化的影响，而Zr的加入使得析出相在高温下保持稳定，有助于提高材料的使用寿命和可靠性。因此，Zr的添加为高熵合金的性能优化提供了一种可行的策略，特别是在需要长期高温稳定性的应用中，如航空发动机叶片、高温反应堆材料等。

总之，本文的研究成果表明，通过微合金化手段调控析出相的特性，可以有效提高高熵合金的热稳定性和机械性能。Zr的加入不仅改变了析出相的形貌，还降低了其与基体之间的晶格失配，从而抑制了粗化行为。这些发现为设计高性能的BCC超合金提供了重要的理论依据和实验支持，同时也为未来的材料开发和性能优化指明了方向。