難熔高熵合金（RHEAs）因含四種及以上難熔元素、多呈單相BCC/FCC結(jié)構(gòu)，具備優(yōu)異高溫強(qiáng)度與熱穩(wěn)定性，在航空航天等領(lǐng)域潛力顯著，但原子尺寸失配等引發(fā)的置換固溶強(qiáng)化會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變局部化，形成強(qiáng)度-塑性權(quán)衡難題。現(xiàn)有置換合金化受最大晶格畸變限制，間隙摻雜雖有潛力卻存在部分HEAs仍以平面滑移為主、TEM 表征視野有限等問題。

近日上海交通大學(xué)&江南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研究了氧間隙對(duì)一種新型TiZrV_0.5Nb_0.5合金拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加了2at.%的O后抗拉強(qiáng)度提高到了1159Mpa，研究結(jié)果以“Understanding strength-ductility enhancement in an oxygen-doped refractory high-entropy alloy by multi-scale characterization and DFT calculations”為題發(fā)表在了期刊《Scripta Materialia》上。通訊作者為上海交通大學(xué)王樂耘研究員和江南大學(xué)陳義文老師。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2025.116825

【核心內(nèi)容】

氧摻雜使合金屈服強(qiáng)度從944MPa提升至1108MPa、拉伸伸長(zhǎng)率從12.8%增加到了22.9%，且保持合金的單相BCC結(jié)構(gòu)和約70μm的相近晶粒尺寸，其機(jī)制為氧通過間隙固溶強(qiáng)化提升強(qiáng)度，同時(shí)使堆垛層錯(cuò)能從407mJ/m²升至1354mJ/m²以促進(jìn)位錯(cuò)交滑移、改善塑性，并證實(shí)氧間隙工程是突破RHEAs強(qiáng)度和塑性權(quán)衡的有效策略。

圖形摘要

【研究方法】

該研究通過熔煉、90%冷軋、1000℃真空均質(zhì)化以及水淬處理制備了TiZrV_0.5Nb_0.5基體合金和含2at.%氧的摻雜合金，使用了XRD、SEM和EBSD分析了相結(jié)構(gòu)與晶粒尺寸，使用TEM等方式觀察位錯(cuò)，并計(jì)算了堆垛層錯(cuò)能，以探究氧摻雜影響及機(jī)制。

【研究成果】

① 力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)特征

對(duì)TiZrV_0.5Nb_0.5合金進(jìn)行2at.%氧摻雜后，合金的屈服強(qiáng)度從944MPa提升到了1108MPa，拉伸伸長(zhǎng)率從12.8%增加到了22.9%，比強(qiáng)度達(dá)200MPa⋅cm³/g，優(yōu)于多數(shù)已報(bào)道BCC型難熔高熵合金（RHEAs）。兩種合金均保持單相體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)，基體合金與氧摻雜合金平均晶粒尺寸相近，分別為71μm、75μm，氧摻雜對(duì)相結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸影響極小。

氧摻雜前后力學(xué)性能及微觀組織

② 氧摻雜微觀強(qiáng)化機(jī)制

基體合金以平面滑移為主，區(qū)域占比26.5%，氧摻雜合金后平面滑移占比降低到了13.9%，而交滑移占比達(dá)23.6%。密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，氧使合金堆垛層錯(cuò)能（SFE）從407mJ/m²提升至1354mJ/m²，增幅達(dá)到了233%，遠(yuǎn)超交滑移激活閾值（700mJ/m²），促進(jìn)了位錯(cuò)交滑移以改善塑性。另外，氧通過間隙固溶強(qiáng)化提升強(qiáng)度，氧原子引發(fā)顯著四方晶格畸變，經(jīng)Labusch模型估算，氧使強(qiáng)度提升量為152.3MPa，該值與實(shí)驗(yàn)值（164MPa）高度吻合。

勞厄微衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果

勞厄微衍射掃描方案示意圖

兩種合金在5%拉伸應(yīng)變下（a, c）和斷裂后基體（b, d）的TEM圖

TiZrV_0.5Nb_0.5系統(tǒng)2at.%氧摻雜前后的SFE曲線和不同BCC RHEA的γ_usf值比較

【總  結(jié)】

該研究展示了一種通過氧間隙改善RHEAs中強(qiáng)度和塑性權(quán)衡的新方法，發(fā)現(xiàn)氧摻雜通過間隙固溶強(qiáng)化來(lái)提高強(qiáng)度，并通過提高層錯(cuò)能來(lái)提高塑性，從而促進(jìn)交叉滑移。從平面滑移到交叉滑移轉(zhuǎn)變的機(jī)制使得應(yīng)變分布更加均勻，延遲頸縮的發(fā)生，抑制過早斷裂。