基于金属-碳化物晶面匹配设计的抗软化共晶高熵合金

《Cell Reports Physical Science》：Softening-resistant eutectics via metal-carbide interplanar matching

本刊推荐：为解决难熔金属在高温下因晶界迁移和动态再结晶导致的力学性能退化问题，研究人员开展了基于金属-碳化物晶面匹配的抗软化共晶合金设计研究。通过调控BCC金属与碳化物相的晶面间距匹配，成功开发出Nb2Mo0.5W0.5C0.25合金，在1673K下仍保持0.70GPa的优异屈服强度，为极端环境材料设计提供了新范式。

　　

在航空航天、核能系统等极端高温环境（超过1273K）中，难熔金属材料面临着严峻的挑战。虽然铌、钼、钨等金属具有高熔点特性，但在长期高温服役过程中，晶界迁移和动态再结晶等热激活软化机制会导致材料性能显著退化。传统难熔多主元合金（MPEAs）虽能通过晶格畸变强化基体，却难以有效抑制界面不稳定性。金属-碳化物共晶结构虽能引入界面扩散屏障，但通常存在的非共格界面和高界面能反而会促进位错形核和再结晶。

针对这一难题，武汉理工大学、海南大学和湖南大学联合研究团队在《Cell Reports Physical Science》发表创新性研究成果，提出了一种基于金属-碳化物晶面匹配的界面设计新策略。与传统晶格失配工程不同，该方法通过调控相邻相间特定晶面间距实现有利的晶面匹配，显著降低界面能和晶格应力，从而抑制碳化物变形和再结晶。

研究团队首先通过第一性原理计算比较了Nb/Nb₂C和Nb/NbC两种界面模型。结果显示，遵循Burgers取向关系的Nb/Nb₂C界面具有更高的分离功和更低的界面能，其(110)_Nb与(0002)_Nb2C晶面间距失配仅为4.5%，远优于K-S取向关系的Nb/NbC界面（失配度9.0%）。这种晶面匹配度高的界面展现出优异的原子配准和热力学稳定性。

基于此设计理念，团队成功制备了Nb₂Mo_0.5W_0.5C_0.25（W0.5C0.25）和Nb₂MoWC_0.45（WC0.45）两种多主元合金。微观结构表征表明，W0.5C0.25合金中BCC相与Nb₂C碳化物形成平坦的半共格界面，晶面失配度分别为5.9%和4.3%，通过周期排列的失配位错（间距3.91nm）协调应变。相比之下，WC0.45合金的BCC/NbC界面呈现弯曲形貌，晶面失配达10.7%，存在明显的角度偏差和应力集中。

高温力学性能测试结果令人瞩目：W0.5C0.25合金在1473K和1673K下分别保持0.73GPa和0.70GPa的屈服强度，显著优于所有已报道的含铌合金体系。特别在1673K下，该合金仍能维持稳定的流变应力，而WC0.45合金则出现明显的应力松弛现象。比屈服强度比较显示，W0.5C0.25合金比传统难熔多主元合金提高约25%，比传统铌基合金提高2-3倍。

变形后微观结构分析揭示了性能差异的内在机制。在1473K压缩变形后，W0.5C0.25合金的BCC和Nb₂C相仅出现局部微取向变化（分别约0.77°和0.98°），再结晶分数仅为3.1%。即使温度升至1673K，BCC相再结晶分数也仅增至15.3%，且BCC/Nb₂C界面仍保持Burgers取向关系，有效阻碍位错运动。相反，WC0.45合金在1673K下BCC和NbC相再结晶分数分别达24.0%和35.6%，界面取向关系完全丧失。

透射电镜观察进一步证实，W0.5C0.25合金中Nb₂C相在1273-1473K变形时主要形成基面堆垛层错，而在1673K转变为位错滑移主导的变形模式。这种可控的变形机制与半共格界面的应变协调能力密切相关。分子动力学模拟显示，Nb/Nb₂C界面在1673K下仍保持尖锐的成分过渡，而Nb/NbC界面则出现超过6nm的扩散层，证实了晶面匹配界面对原子迁移的抑制作用。

碳化物变形缓解机制方面，研究发现尽管Nb₂C具有更强的金属键合特性，但其在界面应力作用下通过Shockley不全位错沿基面滑移产生...ABCA...堆垛序列，类似于六方Laves相的同步剪切转变。这种协调变形机制有效维持了界面结构连续性，而低能界面通过弹性应变场缓解应力集中，抑制碳化物失稳。

再结晶抑制机制方面，晶面匹配设计的BCC/Nb₂C界面通过降低界面能和增强界面结合，有效抑制高温扩散和动态再结晶。与常规难熔合金相比，W0.5C0.25合金在1673K下仍保持极低的再结晶倾向，凸显了界面结构对高温相稳定性的主导作用。

本研究采用的关键技术方法包括：第一性原理计算界面能和分离功、电弧熔炼制备合金、Gleeble-2000热模拟机进行高温压缩测试、X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）进行物相分析、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）进行微观结构表征、分子动力学模拟界面扩散行为。

合金设计 via 晶面匹配

通过晶面匹配策略设计低能界面，选择Nb/Nb₂C和Nb/NbC作为模型体系。Burgers取向关系的Nb/Nb₂C界面晶面失配仅为4.5%，而K-S取向关系的Nb/NbC界面失配达9.0%，前者具有更优的晶体学兼容性。

界面结构的微观结构特征

W0.5C0.25合金形成平坦的BCC/Nb₂C半共格界面，晶面失配度分别为5.9%和4.3%。WC0.45合金的BCC/NbC界面呈现弯曲形貌，晶面失配达10.7%，存在明显应力集中。

高温力学性能

W0.5C0.25合金在1273-1673K范围内展现优异的高温强度，特别是在1673K下保持0.70GPa的屈服强度，且流变应力稳定。比屈服强度显著优于所有已报道的含铌合金体系。

变形后微观结构

W0.5C0.25合金在高温变形后仍保持界面稳定性和Burgers取向关系，再结晶程度显著低于WC0.45合金。低能界面有效阻碍位错运动，抑制再结晶 nucleation。

碳化物变形缓解

晶面匹配界面通过协调变形机制缓解碳化物失稳。Nb₂C相通过基面堆垛层错和位错滑移实现协调变形，而低能界面通过弹性应变场降低应力集中。

抑制变形诱导再结晶

晶面匹配界面通过降低界面能和抑制原子扩散，有效抑制动态再结晶。分子动力学模拟证实Nb/Nb₂C界面具有优异的扩散阻挡能力。

该研究通过晶面匹配策略成功设计了具有低能界面的抗软化难熔共晶合金。W0.5C0.25合金中BCC基体与Nb₂C碳化物的晶面对齐形成了平坦的半共格界面，即使在1673K高温变形后仍保持Burgers取向关系和界面稳定性。这种界面设计有效抑制了碳化物变形和动态再结晶，使合金在极端温度下保持卓越的力学性能。研究建立了基于晶体学兼容性的界面工程新范式，为设计高性能极端环境材料提供了重要理论基础和技术途径。