西安交大科研团队在跨温域难熔高熵合金领域取得新进展

在航空航天、核能以及先进制造等前沿领域，结构材料需要在从深冷到高温的复杂环境中长期稳定服役。然而，传统合金普遍存在“强度–韧性”矛盾：强度提升往往伴随延展性降低，且在高温下强度衰减尤为明显。难熔高熵合金（RHEAs）由Nb、Ta、Mo、W、Hf等高熔点元素组成，凭借其优异的高温性能备受关注，但迄今仍难以在宽温域内兼顾高强度与高延展性。近年来，异质结构金属材料因其可诱发“异质变形诱导强化（HDI）”效应而备受瞩目，为解决强度–韧性矛盾提供了新思路。

基于这一理念，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室材料创新与设计中心（CAID）丁俊教授、马恩教授团队设计出一种可冷加工的Nb–Ta–Ti–Hf基难熔高熵合金（成分：Nb₄₃.₂Ta₂₇Ti₁₃Hf₁₅Re₁.₅B₀.₃）。研究人员采用冷轧+退火的热机械处理工艺，成功构筑出一种热稳定的异质晶粒结构，由纳米级超细晶、细晶和残余变形晶协同组成，形成力学性能梯度（图1）。实验结果显示，该合金在77 K低温下抗拉强度超过1.8 GPa，延展率保持在约10%；在973 K高温下仍能维持超过900 MPa的抗拉强度，刷新了单相固溶体类合金的纪录。进一步的原位力学和显微分析揭示，这种优异性能源于HDI强化机制：在软硬区域的变形过程中发生应变分配与位错累积，在界面处形成反向与正向内应力，显著提升了加工硬化能力（图2）。值得强调的是，该机制不仅在室温和低温下有效，而且在高温条件下依然能够持续发挥作用。

该研究首次证明了HDI强化机制在高达973 K条件下仍然有效，突破了传统认知。更为重要的是，研究发现这种异质结构在973 K长时间退火后仍保持稳定，得益于此难熔高熵合金的高熔点及多主元体系带来的慢扩散效应。这一特性使得合金在高温环境下仍能保持结构稳定性和力学性能，并展示了一种可推广的合金设计思路：通过调控微结构异质性实现跨温域的强度–韧性协同。这一成果为下一代极端环境服役材料的研发提供了新的方向与重要启示。

图1. 异质结构难熔高熵合金的微观组织和宽温域范围内拉伸力学性能

图2.异质结构难熔高熵合金在不同温度下的断裂样品的EBSD和TEM表征

日前，该研究成果以《热稳定性异质晶粒难熔高熵合金在77 K至973 K温度范围内具有卓越强度》（Thermally stable heterogeneous-grained refractory high-entropy alloy offering superior strength from 77 to 973 K）为题发表于《纳米快报》（Nano Letters）。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为论文第一通讯单位，西安交通大学材料科学与工程学院博士研究生安雅琼为论文第一作者，材料学院丁俊教授、天目山实验室章程教授和加州大学伯克利分校 Robert Ritchie 教授为共同通讯作者，合作者还包括材料学院马恩教授。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金及国家级青年人才项目的资助支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c04691

丁俊教授主页：https://jdmse.github.io/zh/