TiZrTa_xNbMo难熔高熵合金组织及其力学性能

摘要

【目的】难熔高熵合金作为一种新型的高温材料，因其优异的高温性能而具有广泛的应用前景。然而，较差的室温塑性成为了限制其发展的主要因素。在众多的难熔高熵合金成分体系中，TiZrTaNbMo因具有较好的生物相容性而引起了学者们的广泛关注，但是该合金的室温塑性较差，其未来发展受到了限制。Ta作为组元中熔点最高的元素，截止到目前关于该元素对合金体系的微观组织与力学性能的影响机制尚不明确。【方法】本文探明了Ta元素含量的降低对TiZrTaNbMo难熔高熵合金组织及性能的影响规律。Ta元素摩尔比取值为0.8、0.9与1.0,其余元素摩尔比不变。采用非自耗高真空电弧炉熔炼制备了TiZrTa_xNbMo（x=0.8,0.9,1.0）难熔高熵合金，并对合金基体进行了1 000℃/6 h的退火处理，之后随炉冷却。利用X射线衍射仪（XRD）确定合金的相结构，使用扫描电子显微镜（SEM）以及附带的能谱仪（EDS）表征了合金的微观组织形貌及元素分布，并使用显微硬度计检测了合金的维氏硬度。【结果】TiZrTa_xNbMo难熔高熵合金由主要BCC₁相和次要BCC₂相组成，呈现典型的枝晶结构。Ta元素含量的增加使得枝晶间区域变小，其中Ta、Nb与Mo元素富集于枝干部分，Ti与Zr元素富集于枝晶间区域，Ta元素含量的减少降低了Nb与Mo元素在枝干部分的偏析。在力学性能上，提升Ta元素含量使得合金硬度从433 HV提高至501 HV。Ta元素含量变化不会导致合金晶体结构发生变化，仍为双相BCC结构；Ta元素含量下降会导致金属树枝晶体组织的晶间区域变大；减少Ta元素含量有助于降低元素偏析，尤其对熔点较低的Ti和Zr元素影响较大。【结论】优化了摩尔比难熔高熵合金的原有设计，对其成分进行了优化。元素含量的调整对合金的微观组织与力学性能均有一定的改善，研究结果将有助于推动TiZrTaNbMo难熔高熵合金体系的进一步应用。

关键词

难熔高熵合金 / 晶体结构 / 热力学 / 相形成 / 微观组织 / 硬度 / 固溶强化 / 二元合金