碳化物强化的 Nb?.?Mo?.?Ta?.? 和 Nb?.?Mo?.?Ta?.?Ti?.? 难熔多主元合金的微观组织与力学性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructure and mechanical properties of carbide-reinforced Nb 1.5Mo 0.8Ta 0.5 and Nb 1.5Mo 0.8Ta 0.5Ti 0.2 refractory multi-principal element alloys

　　

摘要
制备了由 BCC 固溶体基体和碳化物组成的碳化物增强 Nb1.5Mo0.8Ta0.5 和 Nb1.5Mo0.8Ta0.5Ti0.2 难熔多主元合金 (RMPEAs)，显示出良好的强度与塑性协同效应。在碳化物增强 Nb1.5Mo0.8Ta0.5 合金中形成了具有 HCP 结构的 M2C 型碳化物，并与 BCC 基体具有 Pitsch–Schrader 取向关系：{110}BCC//{0001}HCP, {1?10}BCC//{101?0}HCP 和 <002>BCC// <11?20>HCP。在碳化物增强 Nb1.5Mo0.8Ta0.5Ti0.2 合金中形成了具有 FCC 结构的 MC 型碳化物，并与 BCC 相具有 Kurdjumov-Sachs (K–S) 取向关系：{101}BCC//{111}FCC 和 <111>BCC// <110>FCC。与固溶体合金相比，碳化物增强合金强度的提高主要归因于碳化物的强化和 C 的间隙强化，而 BCC 相动态回复的抑制则有助于其优异的高温强度。在室温下，Nb1.5Mo0.8Ta0.5C0.4 合金中的 M2C 比 Nb1.5Mo0.8Ta0.5Ti0.2C0.4 合金中的 MC 具有更强的强化效果，并且在 1400 °C 压缩时，前者合金中形成了更高比例的 BCC 亚晶。对于室温压缩的碳化物增强合金，增加的几何必须位错和细化晶粒有助于 BCC 基体中的应变协调。

引言
难熔多主元合金 (RMPEAs) 主要由具有体心立方 (BCC) 晶体结构的固溶体组成，并具有高熔点 (Tm)，在高温下显示出巨大的潜在应用价值。然而，由于固溶强化作用的显著减弱，RMPEAs 在超过 0.6 Tm 的高温下强度大幅下降 [1], [2], [3], [4]。韧性 HfNbTaTiZr 合金可被压缩至超过 50% 的应变而不破裂，但在 1200 oC 时屈服强度仅为 92 MPa [5]。含有较高含量 W、Mo 和 Re 元素的 RMPEAs 通常由于熔点增加以及混合熵为负，在高温下具有优异的抗软化能力，但塑性较低 [6], [7], [8], [9]。尽管含有高含量 W 和 Mo 的 RMPEAs 的塑性可以通过 Ti 合金化或 B/C 掺杂来改善，但其室温压缩应变仍低于 15% [10], [11], [12]。因此，室温塑性 与 高温强度之间的权衡是 RMPEAs 应用的主要障碍之一。

设计由金属间化合物或陶瓷增强的固溶体，应该是提高 RMPEAs 室温塑性和高温强度协同效应的有效方法，类似于 Ni 基超合金。(V30Nb40Ti20Ta10)99Si1 合金由纳米尺度硅化物析出相增强的 BCC 固溶体组成，由于半共格 M5Si3 纳米颗粒的强化作用，实现了良好的室温塑性和高温强度协同效应 [13]。然而，进一步增加 Si 含量会导致尺寸较大的非共格原位硅化物比例增加，这虽然可以进一步提高高温强度，但会显著降低室温塑性 [14]。与硅化物增强 RMPEAs 相比，由固溶体相和碳化物组成的碳化物增强 RMPEAs 表现出优异的高温性能 [15], [16], [17], [18], [19]。此外，FCC-MC 和 HCP-M2C 两种碳化物通常存在于碳化物增强 RMPEAs 中，具体取决于某些合金元素的含量，碳化物类型似乎对碳化物增强 RMPEAs 的高温强度和室温塑性有影响 [18]。然而，文献中报道的碳化物增强 RMPEAs 通常具有较高的密度 (≥ 13 g/cm3) 且室温塑性较差 (断裂应变低于 20%)。此外，对于这些碳化物增强 RMPEAs，其强化机制和变形行为，特别是不同种类碳化物对韧性固溶体相变形行为的影响尚未明确。

本工作开发了碳化物增强 Nb1.5Mo0.8Ta0.5 和 Nb1.5Mo0.8Ta0.5Ti0.2 RMPEAs，旨在提高高温比强度以及良好的室温塑性。研究了碳化物增强 RMPEAs 的组成相、不同温度下的力学性能以及变形固溶体和碳化物中的亚结构。揭示了不同温度下压缩的碳化物增强 RMPEAs 的强化机制，并基于碳化物对韧性固溶体相变形行为的影响讨论了碳化物增强 RMPEAs 的塑性。

部分章节片段
实验方法
Nb1.5Mo0.8Ta0.5Cx 和 Nb1.5Mo0.8Ta0.5Ti0.2Cx RMPEAs (x = 0, 0.2 和 0.4) 的锭是在氩气气氛下通过非消耗电极弧熔制备的。从锭上切取直径为 6 mm、高度为 9 mm 的圆柱形试样，用于不同温度下的压缩试验。室温压缩试验在电动万能材料试验机 (MTS E45.305) 上进行，试样以 0.4 mm/min 的应变速率压缩至断裂。

显微组织
根据图 1 的 XRD 图谱和表 1 的 EPMA 分析，碳化物增强 Nb1.5Mo0.8Ta0.5 RMPEAs 由具有 BCC 结构的固溶体和具有 HCP 结构的 M2C 型碳化物相组成，而碳化物增强 Nb1.5Mo0.8Ta0.5Ti0.2 RMPEAs 由 BCC 固溶体和 MC 型 FCC 碳化物相组成。Nb1.5Mo0.8Ta0.5C0.2 合金的显微组织由大块 BCC 固溶体块和 BCC 与 HCP 相的共晶状结构组成 (图 2

强化
多晶材料的强化机制可归纳为五类：固溶强化 (Δσss)、晶界强化 (Δσgb)、位错强化 (Δσd)、沉淀强化 (Δσp) 和间隙强化 (Δσis)。因此，屈服应力是不同强化机制贡献的组合，可通过以下表达式计算 [37]：
??0.2=??0+??????????+??????????+???????+???????+??????????
其中 σ0 是本征

结论
本工作开发了具有良好强度 - 塑性协同效应的碳化物增强 Nb1.5Mo0.8Ta0.5 和 Nb1.5Mo0.8Ta0.5Ti0.2 RMPEAs，并研究了它们的显微组织和变形行为。主要结论如下：
(1) 碳化物增强 Nb1.5Mo0.8Ta0.5 合金由 BCC 固溶体相和具有 HCP 结构的 M2C 型碳化物相组成，而碳化物增强 Nb1.5Mo0.8Ta0.5Ti0.2 合金由 BCC 固溶体

CRediT 作者贡献声明
杨涛：撰写 – 审阅与编辑，资源，调查。曾元强：撰写 – 审阅与编辑，调查。谢志雄：撰写 – 审阅与编辑，方法学，调查，数据整理。唐烨：撰写 – 原稿，资源，方法学，资金获取，数据整理，概念化。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢
本工作得到了国家自然科学基金 (No. 52461026) 和浙江省自然科学基金 (Grant No. LMS26E010018) 的资助。

唐烨 | 谢志雄 | 曾元强 | 杨涛
南昌大学物理与材料科学学院，南昌 330031，中国