钛调控TixZrNbMoV难熔高熵合金的金属间化合物抑制与枝晶偏析优化机制研究

针对难熔高熵合金(RHEAs)中金属间化合物(IMCs)和枝晶偏析导致的脆性问题，研究人员通过调控Ti含量（x=0-2.0）系统研究TixZrNbMoV合金的相组成与微观结构演变。发现Ti固溶可削弱IMCs化学键、优化枝晶形貌，最终获得无IMC且偏析最小化的TiZrNbMoV合金，其屈服强度达1573 MPa并保持20%塑性应变，为高性能RHEAs设计提供新思路。

　　

在极端环境应用中，难熔高熵合金(RHEAs)因其优异的高温强度、抗氧化性和抗蠕变性备受关注。然而，这类合金的室温塑性往往因脆性金属间化合物(IMCs)和严重的枝晶偏析而大打折扣。IMCs（如Laves相、σ相）和元素偏析会引发局部应力集中，导致机械载荷下的灾难性失效。尽管通过调整合金元素（如降低Cr含量或增加Ti/Nb比例）可部分改善性能，但IMCs形成与偏析的协同调控机制仍不明确。特别是钛(Ti)元素在RHEAs中的双重作用——既能抑制IMCs又可调节偏析——尚未系统研究。这一知识空白严重阻碍了高性能RHEAs的理性设计。

针对这一挑战，江苏理工学院的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表论文，系统探究了Ti含量（x=0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0）对电弧熔炼Ti_xZrNbMoV合金的相组成、微观结构和力学性能的影响。研究采用真空电弧熔炼制备合金，通过X射线衍射(XRD)分析相组成，结合扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)表征微观结构与元素分布，并利用压缩试验评估力学性能。

相组成分析
XRD结果显示，无Ti的ZrNbMoV合金存在BCC1、BCC2和C15型Laves相。随着Ti含量增加（x≥1.0），Laves相逐渐消失，归因于Ti固溶削弱了IMCs内部的化学键。这一现象与混合焓和原子尺寸错配的热力学分析一致，表明Ti通过调控原子间相互作用抑制脆性相形成。

枝晶偏析演变
微观结构分析揭示，Ti含量变化显著影响枝晶形貌：从低Ti时的胞状结构，经枝晶状过渡，最终发展为高Ti（x=2.0）的等轴晶。偏析程度呈先降后升趋势，与合金熔点和混合焓的变化规律吻合。Ti1.5合金展现出最小偏析，其均匀的固溶结构为力学性能优化奠定基础。

力学性能提升
优化后的TiZrNbMoV（x=1.5）合金表现出优异的强塑性协同：压缩屈服强度达1573 MPa，塑性应变达20%。性能提升源于Ti对IMCs的完全消除和偏析的最小化，同时双BCC相结构（BCC1/BCC2）通过固溶强化和位错运动调控实现强度与塑性的平衡。

该研究首次阐明Ti在RHEAs中同步调控IMCs和偏析的双重机制，为设计新一代高性能难熔合金提供了理论框架。通过建立Ti含量-微观结构-力学性能的定量关系，证明合理调控合金化策略可实现RHEAs的强塑性协同优化。研究成果对航空航天、核反应堆等极端环境材料开发具有重要指导意义。