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北工大復(fù)材頂刊：利用高熵效應(yīng)強化納米晶不混溶雙金屬復(fù)合材料！

2022-07-20 14:43:34 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：本文將耐火相替換為多主耐火高熵相，采用粉末冶金法成功制備了雙相金屬納米晶 NbMoTaW-Cu 復(fù)合材料。燒結(jié)復(fù)合材料中 NbMoTaW 相的平均晶粒尺寸保持在 15 nm。在復(fù)合材料中發(fā)現(xiàn)了 BCC/FCC 和 BCC/非晶/FCC 兩種界面構(gòu)型。使用原子探針斷層掃描，揭示了不混溶金屬之間顯著的成分相互擴散，以及相互擴散層的厚度NbMoTaW-Cu 復(fù)合材料中的含量是 W-Cu 復(fù)合材料中的 2.2 倍。納米晶 NbMoTaW-Cu 復(fù)合材料的屈服強度和維氏硬度分別比 W-Cu 復(fù)合材料高 52% 和 27%。此外，即使在 900 °C 下，NbMoTaW-Cu 復(fù)合材料也具有出色的耐高溫軟化性。改善的機械性能與難熔金屬的固溶強化有關(guān)相，以及難熔金屬與Cu相界面的約束作用和強化。這項工作為設(shè)計具有優(yōu)異機械性能的先進不混溶金屬復(fù)合材料提供了新的指導(dǎo)。

不混溶金屬 X-Cu 復(fù)合材料（X 表示難熔金屬，如 W、Mo、Ta 和 Nb）是一種蒸發(fā)冷卻材料，由于其良好的綜合力學(xué)和物理性能，在軍事和航空航天工業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。例如，在高溫下，W-Cu 復(fù)合材料中熔化和蒸發(fā)的 Cu 相吸收了大量熱量，為 W 骨架提供了極好的冷卻效果。長期以來，人們一直在追求確保 W-Cu 復(fù)合材料在高溫下具有足夠的強度。

在高溫下Cu相軟化、熔化甚至蒸發(fā)后，W-Cu復(fù)合材料的力學(xué)性能越來越依賴于W相。基于此考慮，強化W相是提高W-Cu復(fù)合材料承載能力的有效途徑。研究發(fā)現(xiàn)，通過細化 W 相的尺寸來提高鄰接度，可以提高室溫和高溫下的抗壓強度。為了進一步強化 W 相并穩(wěn)定納米結(jié)構(gòu)，ZrC納米顆粒和 Cr 添加物被引入到 W-Cu 復(fù)合材料中。即使在 1000°C 退火后，W 的晶粒尺寸仍有效地保持在 40 nm。穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu) W 骨架賦予復(fù)合材料在 900°C 下的高抗壓強度。

W-Cu 復(fù)合材料中兩種組分的不混溶性決定了界面的弱結(jié)合強度。薄弱界面在變形過程中容易發(fā)生滑動和過早失效，限制了承載能力的提高。因此，提高雙相金屬界面的結(jié)合強度也有利于 W-Cu 復(fù)合材料的力學(xué)性能。據(jù)報道，Zn 的擴散增強了 W/Cu 界面的結(jié)合強度。同時，由于 Zn 的固溶，Cu 相得到強化。與不含 Zn 的 W-Cu 復(fù)合材料相比，彎曲強度和硬度分別提高了 960 MPa 和 3.62 GPa。添加 Sn 導(dǎo)致在 W-Cu 復(fù)合材料中形成連續(xù)的晶體界面。相應(yīng)地，復(fù)合材料的維氏硬度為 264 HV，彎曲強度提高了約 722 MPa。

總之，提高W-Cu復(fù)合材料強度的策略主要集中在加強W相和雙金屬界面。然而，W相的納米晶粒往往在高溫下迅速粗化。難熔金屬納米結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致復(fù)合材料的優(yōu)異機械性能喪失。因此，在室溫下獲得更高的力學(xué)性能并限制溫度對 W-Cu 復(fù)合材料中耐火相大幅下降的影響是關(guān)鍵。此外，關(guān)于同時提高難熔金屬相和雙金屬界面強度的策略的報道也很少。如果能夠?qū)崿F(xiàn)，將顯著提高復(fù)合材料在室溫下的強度，并在高溫下具有較高的保持力。

高熵合金由等摩爾或接近等摩爾比的多種元素組成。這些材料表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，如超高強度、良好的耐磨性、高加工硬化能力、耐高溫軟化和抗氧化，取具有熱力學(xué)高熵、晶格畸變、擴散緩慢、性能雞尾酒等優(yōu)點。特別是難熔高熵合金，如 NbMoTaW和 HfNbTiZr，與難熔純金屬相比，在室溫和高溫下都表現(xiàn)出更高的強度，因此具有應(yīng)用前景。例如，采用液相燒結(jié)法制備的 90W-7Ni-3Fe 合金在室溫下的屈服強度為 589.59 MPa。當(dāng)溫度升高到 1200 °C時，其屈服強度降低到僅 161.36 MPa 。相比之下，通過電弧熔煉法制備的 NbMoTaW 合金在室溫下的屈服強度為 1058 MPa，在 1200 ℃下的屈服強度為 506 MPa。機械合金化制備的NbMoTaW合金在室溫下的維氏硬度為690 HV。510 HV 的高維氏硬度可以保持在 850 °C。因此，難熔高熵合金在高溫應(yīng)用中很有前景。

基于此，北京工業(yè)大學(xué)chao Hou等人采用粉末冶金法成功制備了兩相分布均勻的納米晶 NbMoTaW-Cu 復(fù)合材料。通過熱力學(xué)計算對雙相金屬界面的微觀結(jié)構(gòu)和成分相互擴散進行了表征和解釋。比較了 NbMoTaW-Cu 和 W-Cu 復(fù)合材料的力學(xué)性能，并揭示了促成高力學(xué)性能的因素。這項工作為開發(fā)具有高機械性能的先進不混溶金屬復(fù)合材料提供了一種新方法。主要結(jié)論總結(jié)如下：

1.在 NbMoTaW-Cu 復(fù)合材料中，NbMoTaW 相的平均晶粒尺寸保持在 15 nm。NbMoTaW-Cu 復(fù)合材料中存在兩種界面，即 BCC/FCC 和 BCC/A/FCC 配置。NbMoTaW-Cu 復(fù)合材料中的成分相互擴散層 (1.80 nm) 約為 W/Cu 界面的 2.2 倍。

2.多組分體系的高熵效應(yīng)顯著降低了能量并促進了界面處非晶結(jié)構(gòu)和成分相互擴散的形成。熵效應(yīng)對降低形成Nb-Mo-Ta-W-Cu非晶結(jié)構(gòu)的能量的貢獻是W-Cu體系的3倍以上。

3.與納米晶 W-Cu 復(fù)合材料相比，納米晶 NbMoTaW-Cu 復(fù)合材料在室溫下的屈服強度和硬度分別提高了 52% 和 27%，并且具有優(yōu)異的高溫硬度。49%的強度提高來自難熔高熵相，51%來自難熔金屬與Cu相界面的約束作用和強化。NbMoTaW-Cu 復(fù)合材料中裂紋的傳播路徑主要是沿著界面而不是通過難熔金屬相。

相關(guān)研究成果以題“Strengthening nanocrystalline immiscible bimetallic composite by high-entropy effect”發(fā)表在增材制造頂刊Composites Part B: Engineering上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836822005030

圖 1。球磨過程中 NbMoTaW 粉末的相和粒徑：(a) 不同研磨時間的相變化；(b) 粉末平均粒徑的變化；(c) 使用具有不同機械合金化持續(xù)時間的 NbMoTaW 粉末制備的塊狀復(fù)合材料的相分析。

圖 2。NbMoTaW-Cu 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和元素分布。

圖 3。NbMoTaW-Cu 復(fù)合材料的顯微組織表征：(a) 耐火高熵相的晶粒結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸分布；(b) HRTEM 圖像，(b) 中的插圖是SAED；(c) (b)中紅色虛線框區(qū)域?qū)?yīng)的快速傅里葉逆變換圖像；(d) BCC/FCC 界面配置；(e) BCC/A/FCC 界面配置。（有關(guān)此圖例中顏色參考的解釋，請讀者參考本文的網(wǎng)絡(luò)版本。）

圖 4。W-Cu 復(fù)合材料中雙相金屬界面的成分相互擴散：（a-c）W 和 Cu 的元素 3D 分布；(d) 成分變化穿過 W/Cu 界面。

圖 5。NbMoTaW/Cu 界面的相互擴散層：(a-f) Nb、Mo、Ta、W 和 Cu 的 3D 元素分布；(g) NbMoTaW/Cu 界面的成分變化。

圖 6。W-Cu和NbMoTaW -Cu體系中形成非晶、FCC和BCC結(jié)構(gòu)的ΔG隨Cu含量和溫度的變化：（a）W-Cu的總體計算結(jié)果；(b) 25 °C 時，W-Cu 的 Cu 含量可變的無定形、FCC 和 BCC 結(jié)構(gòu)的Δ G ；(c) 900 °C 時，W–Cu 的 Cu 含量可變的非晶、FCC 和 BCC 結(jié)構(gòu)的Δ G ；(d) NbMoTaW-Cu的整體計算結(jié)果；(e) NbMoTaW–Cu 在 25 °C 下具有可變銅含量的非晶、FCC 和 BCC 結(jié)構(gòu)的Δ G ；(f) NbMoTaW–Cu 在 900 °C 下具有可變銅含量的非晶、FCC 和 BCC 結(jié)構(gòu)的Δ G。