通过添加难熔的钨（W）和钽（Ta）元素，显著提升了NiCrCo基中熵合金的强度和延展性

《Materials Research Bulletin》：Achieving superior strength and ductility in NiCrCo-based medium entropy alloy via incorporating refractory W and Ta contents

单相面心立方中熵合金通过添加难熔元素W和Ta实现强度与韧性的协同提升，其Ni59Cr23Co11W5Ta2合金在298 K和77 K下分别达到924 MPa和1.2 GPa屈服强度及40%和47%断裂应变。理论计算和TEM分析表明，W和Ta的添加显著增强晶格畸变，促进固溶强化和晶界强化，同时调控稳定和不稳定层错能，使合金在室温下以位错滑移为主，低温下通过孪生辅助塑性变形实现高强度高韧性。

　　

黄涛|卢凯巨|姜凤春|刘景远|张彦波|周洋|布文刚|梁秀兵

哈尔滨工程大学烟台研究院，中国山东省烟台市264006

摘要

单相面心立方（FCC）中熵合金（MEAs）通常具有优异的韧性，但强度不足。为了解决这一缺陷，在非化学计量的NiCrCo MEA（Ni₅₉Cr₂₃Co₁₁W₅Ta₂）中加入了难熔元素W和Ta。所设计的合金表现出出色的机械性能：在298 K时的屈服强度为924 MPa，断裂伸长率为40%；在77 K时的屈服强度为1.2 GPa，断裂伸长率为47%。理论计算表明，难熔元素W和Ta的添加显著促进了晶格畸变、固溶强化和晶界强化。密度泛函理论（DFT）计算进一步显示，Ni₅₉Cr₂₃Co₁₁W₅Ta₂ MEA具有较低的内禀稳定堆垛错能（SFE）和较高的不稳定堆垛错能（USFE）。这使得合金在298 K时主要通过位错滑移变形，在77 K时则通过孪晶变形，从而同时提高了强度和延展性。总体而言，本研究通过添加难熔元素来调节原子体积失配和堆垛错能，为协同提升强度和延展性开辟了新途径。

引言

过去几十年中，航空航天领域对先进材料的需求迅速增长[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。基于NiCrCo的多主元素合金（MPEAs），作为中/高熵合金（MEAs/HEAs），已成为材料科学研究的重点[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。在这一研究领域中，最广泛研究的体系是FCC固溶合金，如NiCrCo和NiCrCoFeMn[12]、[13]、[14]、[15]。然而，像NiCrCo这样的单相FCC MEAs在室温（RT）下的屈服强度约为360 MPa，在77 K下的屈服强度约为650 MPa，这限制了其在实际应用中的广泛性[12]。在传统的单相合金中，通常通过引入第二相来阻止位错的产生或移动来增强强度[16]、[17]，但第二相的高密度可能会导致延展性的显著下降[18]。

难熔元素的添加成为解决这一挑战的有希望的方法。例如，张等人[2]通过添加难熔元素Ta，开发出一种NiCrCo MEA，在室温下的屈服强度约为600 MPa，延展性约为50%。该合金在液氮温度（77 K）下的机械性能显著提升，强度和延展性分别达到了约800 MPa和90%[2]。在我们最近的研究[19]中，共掺Mo和W显著增强了晶格畸变，降低了内禀稳定堆垛错能（ISFE），同时增加了不稳定堆垛错能（USFE）。由于固溶强化和晶界强化的作用，NiCoMoW合金实现了约1 GPa的屈服强度和约30%的延展性[19]。研究表明，Mo和W的添加不仅提高了强度，还促进了孪晶等替代变形途径，从而提高了延展性[19]。然而，W和Ta的进一步添加对NiCrCo基MEAs/HEAs在298 K和77 K下的机械性能的协同提升潜力尚未得到充分探索。

在本研究中，通过添加难熔元素W和Ta（Ni₅₉Cr₂₃Co₁₁W₅Ta₂），开发了一种NiCrCo基MEA，以最大化其在298 K和77 K下的机械性能。基于设计的成分，成功实现了在298 K/77 K下的优异强度-延展性协同效应（即298 K时的屈服强度约为924 MPa，延展率约为40%；77 K时的屈服强度约为1.2 GPa，延展率约为47%）。此外，利用透射电子显微镜（TEM）观察了变形后的微观结构，揭示了其机械性能背后的原因。同时，通过DFT计算阐明了Ni₅₉Cr₂₃Co₁₁W₅Ta₂ MEA优异强度-延展性的根本内在因素。

实验程序

实验步骤

采用真空电弧熔炼工艺，并使用纯度超过99.9%的超高纯原料制备Ni₅₉Cr₂₃Co₁₁W₅Ta₂（特定百分比）合金。熔融合金通过滴铸方式注入水冷铜模具（尺寸为60 mm × 30 mm × 10 mm）中凝固。随后，将铸锭在1250°C下进行48小时的均匀化处理，然后淬火。之后，在室温下进行轧制，轧减至1.5 mm的厚度

初始微观结构

图2(a₁-a₆展示了不同温度和时间下退火后的Ni₅₉Cr₂₃Co₁₁W₅Ta₂合金的代表性微观结构，图2(b)显示了均匀化后的合金微观结构。这些样品的平均晶粒尺寸范围为2.71 μm至450.84 μm（采用典型截距法估算）。热处理条件及相应的晶粒尺寸（不包括孪晶边界）列于表1中。图2(c1–c2)中的显微图显示了均匀化的FCC相结构

强化机制

为了研究其优异强度的潜在原因，将Ni₅₉Cr₂₃Co₁₁W₅Ta₂样品的屈服强度与晶粒尺寸进行了关系分析，如图5(a)所示。数据采用广为接受的Hall-Petch方程进行拟合[61]、[62]：$$在此方程中，d表示平均晶粒尺寸，σ₀表示晶格摩擦应力，K表示Hall-Petch系数。σ₀和K分别对应于固溶强化和晶界强化的贡献

结论

本研究通过添加难熔元素W和Ta，设计了一种新型NiCrCo基MEA（Ni₅₉Cr₂₃Co₁₁W₅Ta₂）。利用第一性原理计算和透射电子显微镜研究了W和Ta添加对合金强化机制、变形机制和堆垛错能（SFEs）的影响。主要发现如下：

1.

新型设计的MEA在298 K时的屈服强度高达924 MPa，在77 K时达到1223 MPa，同时具有优异的

作者贡献声明

布文刚：撰写原始稿件。梁秀兵：撰写原始稿件。黄涛：撰写原始稿件。卢凯巨：撰写原始稿件。姜凤春：撰写原始稿件。刘景远：撰写原始稿件。张彦波：撰写原始稿件。周洋：撰写原始稿件

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：无利益冲突声明

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（NSFC，项目编号52305171）的支持。