热等静压对一种新型含硼难熔高熵合金微观组织和力学性能的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Effect of hot isostatic pressing on the microstructure and mechanical properties of a novel B-containing refractory high-entropy alloy

　　摘要：本研究采用真空电弧熔炼制备了一种Al_0.5Mo_0.5NbTi_1.25V_0.5Zr_0.1B_0.2难熔高熵合金（RHEA）。系统研究了1200～1240 °C、140～170 MPa条件下热等静压（HIP）处理对其相组成、微观组织和力学性能的影响。结果表明，铸态合金主要由BCC_B2基体、MB型硼化物和少量Al₃Zr₄相组成，同时存在枝晶偏析和气孔缺陷。HIP处理未引入新相，但能促进气孔闭合，改善组织稳定性，并调节MB相的析出行为。在适当的气体压力下，基体发生稳定的塑性流动，位错可通过动态回复重排形成低能次晶界，从而促进气孔愈合。然而，进一步增大压力并不能持续提高致密化程度。相反，加强的位错缠结、晶界附近几何必要位错（GNDs）的富集、MB相偏析以及气孔内Ar回压的增加均阻碍了气孔闭合，这些效应还增加了微裂纹萌生的风险。在1220 °C/150 MPa条件下处理的合金表现出最佳综合性能，其孔隙率从铸态的1.057%降至0.022%。同时，室温屈服强度和断裂应变分别提高了8.3%和14.9%。该合金在800°C和1000°C压缩条件下仍保持优异的名义屈服强度，分别达到151.7和42.5 MPa·cm³·g^-1。本研究揭示了HIP处理过程中气体压力对微观组织和性能的非单调效应，为优化类似RHEAs的HIP参数提供了有益指导。引言近年来，高熵合金（HEAs）已超越传统的单一主元设计策略。这一进展源于其多主元成分及伴随的高熵效应、扩散迟滞效应、晶格畸变效应和"鸡尾酒"效应。因此，HEAs具有优异的强韧性平衡和广泛的成分灵活性，成为先进金属结构材料的重要研究方向[1]、[2]、[3]。其中，由Nb、Mo、Ta和W等高熔点元素组成的难熔高熵合金（RHEAs）受到广泛关注。由于其高熔点、优异的高温屈服强度和良好的组织稳定性，RHEAs被认为是突破Ni基超合金服役温度极限的下一代候选材料[4]、[5]。然而，传统RHEAs通常存在密度高（> 8 g·cm^-3）和室温塑性有限的问题，这些缺陷严重限制了其工程应用[5]。为实现轻量化设计和高温承载能力的统一，逐步将Al、Ti、V和Zr等低密度元素引入RHEA体系，发展了轻质难熔高熵合金（LRHEAs）[6]。此前研究表明，AlCrNbTiV [7]、TiAlVNbMo [8]和CrNbTiVZr [9]等轻质合金体系可在密度低于6.5 g·cm^-3的情况下实现超过1000 MPa的室温屈服强度，显示出其在高温航空部件及相关结构应用中的潜力。除成分设计外，微量合金化是提高RHEAs综合性能的另一种重要策略，可调节凝固行为、相析出和界面特性[10]、[11]、[12]。在众多微量元素中，B因其原子半径仅0.087 nm，远小于Mo、Nb和Ti等过渡金属，具有高化学反应活性和与许多过渡金属强烈的负混合焓，能显著影响合金的凝固顺序、相组成和析出行为。Wang等人[10]报告，在Ti₃₅Zr₃₀V₁₀Nb₂₅合金中加入微量B，可促进晶界处硼化物析出，有效细化晶粒并钉扎晶界，使室温拉伸伸长率超过15%。另一研究中，B的加入使NbMoTaW合金实现1750 MPa的室温压缩屈服强度，同时保持超过10%的断裂应变[13]。基于这一概念，我们之前的工作通过B合金化优化了一种真空电弧熔炼制备的新型Al_0.5Mo_0.5NbTi_1.25V_0.5Zr_0.1B_x难熔合金体系的成分。室温及高温压缩试验证实，x = 0.2在该合金体系中实现了低密度与高名义强度的最佳平衡。然而，铸态合金中常观察到典型凝固缺陷，如缩孔和微气孔，这些缺陷降低了密度，损害了组织均匀性，并促进了变形过程中的局部应力集中和裂纹萌生，严重限制了合金的潜在性能。因此，在保留B强化效果的同时减少铸态缺陷，是进一步提高该合金体系性能的关键挑战。热等静压（HIP）是一种在高温高压耦合条件下消除气孔的后处理技术，能促进致密化和组织均匀化，已成功应用于Ni基超合金[14]、[15]、[16]、增材制造Ti合金[17]、[18]、[19]以及某些HEAs [20]、[21]。例如，Epishin等人[14]发现，在1288 °C/103 MPa条件下HIP处理的CMSX-4单晶合金中，气孔收缩过程中其周围形成了γ′壳层。Li等人[17]表明，HIP显著降低了Ti-6Al-4V合金的孔隙率，使疲劳裂纹源从气孔转移到表面，疲劳寿命较未HIP处理合金提高超过50%。Alla等人[20]报告，HIP使等原子比WTaTiVZr合金的断裂韧性较铸态提高约30%。虽然此前研究表明HIP可通过缺陷愈合改善整体性能，但大多将HIP参数视为单向优化变量，特别是通常假设更高的气体压力能产生更强的致密化效果，这种观点忽视了对HIP处理窗口进行深入理解的必要性。对于含B等微量非金属元素的RHEA体系，HIP参数尤其是气体压力调节组织演变的机制尚不明确。因此，本研究聚焦于含B的Al_0.5Mo_0.5NbTi_1.25V_0.5Zr_0.1B_0.2 RHEA。通过精细调节HIP温度从1200至1240 °C，气体压力从140至170 MPa，系统研究了HIP处理对合金相结构、微观组织和力学性能的影响。特别关注了气体压力增大对组织优化的不利影响及其内在机制。研究结果为优化类似合金体系的HIP工艺参数提供了有益指导。章节摘要材料与方法本研究采用真空电弧熔炼制备了Al_0.5Mo_0.5NbTi_1.25V_0.5Zr_0.1B_0.2 RHEA。原材料为纯度不低于99.99%的纯金属和非金属元素。合金的名义成分为Al 5.38、Mo 19.11、Nb 37.02、Ti 23.84、V 10.15、Zr 3.64和B 0.86 wt.%。为尽量减少熔炼过程中的氧化污染，装载原材料后将真空室抽至5 × 10^-3 Pa以下，然后回填高纯氩气（≥99.99 %）。铸态合金微观组织采用XRD分析了铸态合金的相组成。图2显示了铸态Al_0.5Mo_0.5NbTi_1.25V_0.5Zr_0.1B_0.2 RHEA的XRD图谱。合金主要由BCC_B2、Al₃Zr₄和MB相组成。有序共格B2相对应的衍射峰出现在BCC相主峰附近。MB相主要在低角度区域检测到，而Al₃Zr₄相则出现在高角度区域。图3显示了铸态Al_0.5Mo_0.5NbTi合金的微观组织。结论本研究调查了HIP处理对Al_0.5Mo_0.5NbTi_1.25V_0.5Zr_0.1B_0.2 RHEA相结构、微观组织和力学性能的影响。主要结论如下：（1）采用真空电弧熔炼制备的Al_0.5Mo_0.5NbTi_1.25V_0.5Zr_0.1B_0.2 RHEA主要由BCC_B2基体、MB型硼化物和少量Al₃Zr₄相组成。铸态合金呈现典型的枝晶微观组织，枝干富集Mo和Nb，而枝间富集Al。CRediT作者贡献声明**徐涵：** 撰写——初稿，可视化，形式分析，数据管理。**董建新：** 监督，概念化。**张一淼：** 形式分析。**杨晶明：** 方法论，调查研究。**赵长杰：** 撰写——初稿，软件。**姚智昊：** 撰写——审阅与编辑，项目管理，资金获取。利益冲突声明作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本论文所报告的工作。数据可用性数据可根据要求提供。致谢本研究得到中国国家自然科学基金（项目编号：52271087和52471110）、先进铸造技术国家重点实验室（编号：CAT2023-001）以及中央高校基本科研业务费专项资金（编号：FRF-KST-25-007）的资助。徐涵|姚智昊|赵长杰|杨晶明|张一淼|董建新北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083，中国