HCP结构IrRhRuReFe高熵合金的微观组织与力学性能

《Intermetallics》：Microstructure and mechanical properties of HCP-structured IrRhRuReFe high-entropy alloys

　　

基于铂族金属（PGMs）的六方密排（HCP）高熵合金（HEAs）是极端温度应用的有前景候选材料，但凝固引起的化学异质性与高温变形动力学之间的联系仍了解不足。本研究调查了三种块体衍射图谱以HCP结构为主的铸态Ir–Rh–Ru–Re–Fe合金。扫描电子显微镜结合能谱分析揭示了所有合金中的枝晶区/枝晶间区（DR/ID）化学分配。一个关键发现是，Fe的添加改变了Ru的偏析行为，从无Fe合金中的轻微ID富集转变为含Fe合金中的枝晶区富集。该趋势得到了近液相线液/固分配系数和Scheil–Gulliver凝固模拟的一致支持。所有X射线衍射峰均被标定为HCP。在室温和1500?°C下的原位应变速率跳变压缩试验显示出明显的正应变速率敏感性，且合金在1500?°C下仍保持显著强度；例如，Ir₂₀Rh₂₀Ru₂₀Re₂₀Fe₂₀合金在3?×?10^?4?s^?1下达到约270?MPa。在所研究的成分中，20Fe在两种温度下均表现出最高强度。由应变速率跳变试验得出的表观应力指数和激活体积显示，从室温到1500?°C，n普遍降低而V*增大，表明高温下可能转向更大的有效激活事件。这些结果阐明了Fe如何改变Ir–Rh–Ru–Re基HEAs的凝固分配和残留化学异质性，以及这些变化如何反映在其极端温度力学响应中。

高熵合金（HEAs）由多种主要元素组成，可形成简单固溶体。难熔高熵合金（RHEAs）虽具有高温强度，但通常为体心立方（BCC）结构，室温塑性有限且高温抗氧化性不足。六方密排（HCP）结构的多主元合金因各向异性和滑移模式选择性而受到关注。引入铂族金属（PGMs）如Ir、Rh、Ru可稳定HCP相，Fe添加可在保持HCP主体衍射响应的同时调节电子参数与层错能。然而，凝固诱导的化学异质性与高温变形动力学之间的关联仍不清楚。为此，研究人员选取三种铸态Ir–Rh–Ru–Re–Fe合金，研究Fe如何改变凝固分配、枝晶区/枝晶间区（DR/ID）化学异质性及极端温度力学响应。论文发表于《Intermetallics》。

主要技术方法包括：真空电弧熔炼制备合金；X射线衍射（XRD）分析相结构；扫描电子显微镜结合能谱分析（SEM/EDS）表征微观组织与成分；利用Thermo-Calc（TCHEA5数据库）计算近液相线液/固分配系数并进行Scheil–Gulliver凝固模拟；在室温和1500?°C下进行原位应变速率跳变（SRJ）压缩试验。

研究结果如下。3.1 热力学背景：先前计算显示三种成分在宽高温范围内均位于HCP固溶体区域，Fe降低液相线但仍高于约1900?°C，与HCP为主的衍射响应一致。3.2 微观组织表征：SEM/EDS显示所有合金具有枝晶形貌和DR/ID化学分配。Fe添加使Ru从无Fe合金中的轻微ID富集反转为含Fe合金中的枝晶区富集，该趋势与计算分配系数和Scheil模拟一致。XRD图谱全部标定为HCP，晶格参数随Fe添加略有下降，原子尺寸错配度δ从0Fe的1.2%增至20Fe和12Fe的2.4%和2.1%，表明局部畸变程度更高。3.3 力学性能：SRJ试验显示所有合金在室温和1500?°C下均具有正应变速率敏感性。20Fe在两种温度下强度最高，室温下在3?×?10^?3?s^?1时达约1.4?GPa，1500?°C下在3?×?10^?4?s^?1时达约270?MPa。表观应力指数n从室温的8–10降至1500?°C的约6，表观激活体积V*从室温的仅几个b³增至1500?°C的数十至约10²?b³，表明高温下有效激活事件尺度增大。

讨论部分：4.1 Fe诱导的凝固分配变化：计算的近液相线分配系数和Scheil轨迹显示Fe使Ru从液相偏好变为固相偏好，Fe和Rh富集于液相，Ir、Re、Ru倾向进入固相，与实验偏析系数一致。4.2 连通性控制的载荷传递：铸态组织可视为DR/ID复合材料，DR富集Re、Ir及含Fe合金中的Ru，ID富集Fe、Rh。固溶强化估算表明ID并非必然较弱，但高温强度排序受温度依赖性软化和连通载荷传递影响；12Fe因DR中Re含量较低导致高温抗力下降。4.3 热激活变形动力学：室温小V*（2.1–13.2?b³）表明短程障碍控制的位错滑移；1500?°C时V*增至44.5–101.1?b³，n约为6，说明向更大尺度激活过程转变但仍为位错介导。20Fe因总体强化趋势较高而保持最高强度。4.4 HCP多主元合金中的机制背景：与文献中FCC/BCC及HCP合金比较，本合金系遵循n随温度降低、V*随温度升高的共同趋势，且从较低温即具有速率敏感性的基线出发；1500?°C时V*仍处于10–100?b³范围，支持位错热激活控制流变，表明PGM-rich HCP合金适合超高温结构应用。

结论翻译：1. 三种富PGM的Ir–Rh–Ru–Re–Fe高熵合金在铸态下呈现HCP为主的XRD响应，但SEM/EDS显示明显DR/ID化学异质性。2. Fe添加强烈影响凝固分配：Ir和Re富集于枝晶区，Rh富集于ID区，而Ru从无Fe合金中的轻微ID富集反转为含Fe合金中的明显DR富集，该反转得到近液相线分配系数和Scheil–Gulliver模拟支持。3. 所有合金在室温和1500?°C原位应变速率跳变压缩中均表现出正应变速率敏感性；20Fe在两种温度下强度最高，并在1500?°C、3?×?10^?4?s^?1下达到约270?MPa，展示极端温度下的显著流变抗力。4. 表观应力指数从室温的n≈8–10降至1500?°C的n≈6，而表观激活体积从室温的仅几个b³增至1500?°C的数十至约10²?b³，该共同方向性趋势表明高温下转向更大有效激活尺度的速率控制事件。总体而言，Fe不仅改变Ir–Rh–Ru–Re基HEAs的名义成分，还改变其凝固分配、残留化学异质性和极端温度力学响应，为超高温应用的HCP难熔HEAs设计提供了成分–偏析–性能关系指导。