Cr合金化协同提升铸态Al0.5Mo0.5NbTa0.5TiZr难熔高熵合金强度-塑性的机制研究

本研究针对难熔高熵合金（RHEAs）普遍存在的强度-塑性倒置问题，通过Cr合金化策略优化铸态Al0.5Mo0.5NbTa0.5TiZr的相组成与微观结构。结果表明，Cr0.2添加使合金保持BCC_A2/B2双相结构，屈服强度（1585 MPa）和断裂应变（14.10%）较基体提升50%和234%，揭示了固溶强化与Hall-Petch效应的协同机制，为高性能RHEAs设计提供新思路。

　　

在高温结构材料领域，难熔高熵合金（RHEAs）因其卓越的高温强度成为替代镍基合金的潜力候选者。然而，这类合金长期面临室温塑性不足的瓶颈问题——以典型合金AlMo_0.5NbTa_0.5TiZr为例，其1000℃下断裂应变（ε_f）可达50%，但室温ε_f骤降至4.1%，这归咎于晶界处有害的六方相析出。虽然通过降低Al含量至Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5TiZr可消除六方相，但制备需1400℃热等静压等复杂工艺，且室温塑性进一步恶化至3.2%。如何通过简易工艺实现强度-塑性协同提升，成为该领域亟待突破的科学难题。

针对这一挑战，中国的研究团队选择铸态Al_0.5Mo_0.5NbTa_0.5TiZr为基体，利用Cr原子半径最小（在组元中）的特性，系统研究Cr含量（x=0-1.5）对合金性能的影响。通过真空电弧熔炼制备系列样品，结合X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和压缩测试等技术，揭示了Cr调控微观组织与力学性能的规律。

Microstructure
XRD分析显示，当Cr≤4.3 at.%（Cr_0.2）时，合金维持BCC_A2（无序体心立方）与BCC_B2（有序体心立方）双相结构；Cr≥10 at.%（Cr_0.5）时出现Laves相。透射电镜证实Cr_0.2样品中纳米级B2基体（~55 nm）与A2析出相（~25 nm）共格分布，而Cr₁样品中Laves相以微米级颗粒形式存在。

Phase formation
热力学计算表明，随Cr增加，混合熵（ΔS）从1.39R升至1.56R，价电子浓度（VEC）从4.35增至4.58，促使Laves相形成。原子尺寸参数（γ）从1.038（Cr₀）降至1.028（Cr_1.5），说明Cr有效缓解晶格畸变。

Mechanical properties
Cr_0.2合金展现最优强度-塑性匹配：压缩屈服强度（σ_0.2）达1585±205.38 MPa（较基体提升50%），ε_f达14.10±3.18%（提升234%）。位错密度计算显示Cr_0.2样品位错密度（1.2×10¹⁵ m^-2）较基体提高3倍，结合晶粒细化（Hall-Petch系数k=583 MPa·μm^1/2），证实固溶强化与细晶强化的协同作用。而Cr₁合金因Laves相强化，σ_0.2进一步提升至1746 MPa，但ε_f降至7.06%。

这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究，首次通过Cr合金化实现铸态RHEAs强度-塑性协同提升，避免了传统热等静压工艺。其意义在于：① 阐明Cr含量对BCC/Laves相竞争的调控规律；② 建立位错密度与Hall-Petch效应的定量关系；③ 为开发低成本、高性能RHEAs提供新策略，同时保留Cr对氧化抗性的潜在增益。该成果对航空发动机热端部件材料设计具有重要参考价值。