V/Ti比例与Ni-Co-Fe粘结相对WMoVTi难熔高熵合金微观结构与力学性能的调控机制研究

为解决难熔高熵合金(RHEAs)室温脆性及高温稳定性问题，研究人员通过机械合金化制备了Ni-Co-Fe粘结相强化的WMoVxTiy合金，发现优化V/Ti比例可稳定FCC粘结相并抑制Ti-V-O氧化物形成，使V25Ti5合金获得2200 MPa抗压强度与35%应变，为极端环境材料设计提供新策略。

　　

在航空航天、核反应堆等极端环境中，传统合金往往难以满足高温强度与韧性的双重需求。难熔高熵合金(RHEAs)因其独特的BCC(体心立方)结构和固溶强化效应成为研究热点，但室温脆性始终是制约其应用的瓶颈。这就像试图用玻璃制作弹簧——虽然硬度足够，却一弯就碎。为突破这一限制，科学家们从钨重合金(WHAs)中获得灵感：通过引入韧性FCC(面心立方)粘结相来"缝合"脆性基体，但如何平衡粘结相稳定性与氧化物抑制仍是未解难题。

研究人员选择W-Mo-V-Ti体系作为基体，采用机械合金化(MA)结合粉末冶金工艺，创新性地引入70Ni-15Co-15Fe(wt.%)粘结相。通过精确调控V/Ti比例(15/15、20/10、25/5 at.%)和烧结温度(1350°C/1500°C)，揭示了元素分配与相演变的动态规律。研究发现V如同"结构稳定剂"，其高Ni溶解度和适中原子半径能有效稳定FCC粘结相；而Ti则像"双刃剑"，虽能强化晶界但易与氧结合形成脆性Ti-V-O氧化物。在1350°C烧结的V₂₅Ti₅合金中，均匀分布的Ni-rich相与基体形成强界面结合，使材料同时具备2200 MPa超高强度和35%压缩应变，相当于让陶瓷材料拥有了金属般的延展性。

关键技术包括：1) 分阶段球磨(预磨16h+二次磨4-16h)实现元素均匀混合；2) 真空烧结(10^-5 torr)控制氧化物生成；3) SEM-EDS/XRD/TEM多尺度表征相组成；4) 显微硬度与压缩测试评价力学性能。

【3.1 微观结构表征】
XRD显示所有合金基体均为BCC结构，但V₂₅Ti₅在44°出现明显FCC衍射峰。TEM证实Ni-rich相晶格参数(3.398 ?)小于纯Ni，源于V原子的固溶收缩效应。1500°C烧结时，高Ti合金(V₁₅Ti₁₅)中粘结相完全溶解，形成大量Ti-O氧化物(图3d)，而高V合金仍保留FCC相(图6)。

【3.2 力学性能】
压缩测试表明V/Ti比例与烧结温度存在"跷跷板效应"：1350°C烧结的V₂₅Ti₅兼具最高强度(2200 MPa)和应变(35%)，其断口呈现典型韧窝特征(图11d)；而V₁₅Ti₁₅因氧化物聚集仅1518 MPa强度和11.8%应变，表现为解理断裂(图11b)。硬度测试则呈现相反趋势，V₁₅Ti₁₅以细小氧化物获得最高硬度(图10)。

这项研究通过"元素比例-微观结构-性能"的精准调控，建立了难熔高熵合金强韧化设计新范式。特别是发现V能通过电子轨道杂化降低FCC相晶格畸变，这一发现为多组元合金设计提供了理论依据。研究成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》，为开发新一代高温结构材料开辟了道路，未来或可应用于航天器热防护系统、核聚变装置第一壁材料等极端环境。