随着航空航天工业的快速发展，适合高温应用的耐火材料受到了越来越多的关注。与传统的难熔金属和合金相比，具有多组分固溶相的难熔高熵合金(RHEAs)由于其晶格畸变和缓慢扩散效应而具有较高的强度和硬度。由于RHEAs在室温和高温下具有优良的力学性能，被认为是最有前途的耐火材料。随着增强材料体积分数的增加，增强效果显著增加。

然而，当大量难熔化合物直接加入到RHEAs中时，这些化合物往往会聚集在一起，形成较大的团簇，在高温烧结过程中，团聚的化合物会相互粘结，导致严重的晶粒粗化。这种严重团聚和粗糙的化合物可能会降低RHEAs的机械性能。原位析出增强体与基体之间具有良好的弥散性。这将是一种很有前途的方法来最大限度地提高难熔化合物的强化效果，而多种非金属元素与难熔金属反应，原位生成难熔化合物对组织性能的影响仍不够明确。

大连理工大学的研究人员同时引入三种非金属原子(C、N和O)，以进一步增强合金的强度。采用机械合金化(MA)和电火花等离子烧结(SPS)技术制备了CrMoNbWTi-CNO RHEA，获得了4345MPa和11.88GPa的超高的抗压强度和硬度。系统地研究了合金的显微组织、相组成和力学性能。讨论了非金属原子C、N、O的强化机理，并对难熔化合物的作用进行了分析。相关论文以题为“A multiple nonmetallic atoms co-doped CrMoNbWTi refractoryhigh-entropy alloy with ultra-high strength and hardness”发表在Materials Science & EngineeringA。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140035

研究发现CrMoNbWTi-CNO合金具有优良的抗压强度和硬度，分别为4345MPa和11.88GPa，比典型的RHEAs要高得多。与典型的大晶粒(50-100μm)铸态RHEAs相比，烧结的CrMoNbWTi-CNO合金有更细小均匀的组织(约1μm)，表明晶界强化有助于增强强度。多相RHEAs的强度和硬度普遍高于单相RHEAs。在现有的CrMoNbWTi-CNO合金中，析出的纳米级(Nb，Ti)N具有FCC晶格结构，与BCC不相协调。因此，当前RHEA中纳米级(Nb，Ti)N析出相的位错强化机制是奥罗万绕过机制（Orowan）。

图1 烧结后的CrMoNbWTi-CNO RHEA的显微组织及晶粒尺寸分布

图2 CrMoNbWTi-CNO RHEA微观结构的背散射图像及元素分布

此外，除了传统的固溶、晶界和Orowan强化机制，目前多种非金属原子掺杂将进一步对合金进行强化，C有溶于BCC固溶体的趋势，而O、N有与难熔金属发生反应的趋势。对于含有多种非金属原子的HEA，非金属原子在HEA中的存在形式与非金属溶质原子和金属溶剂原子的电负性差异密切相关。在RHEA中发现了大量的晶间(Nb、Ti)N和Ti2O3，对合金性能的提升具有重要作用。所以，本研究中具有超高性能的CrMoNbWTi-CNO RHEA也归因于BCC中溶入的非金属C和(Nb,Ti)N、Ti2O3晶间化合物的协同作用。

图3 CrMoNbWTi-CNO RHEA的TEM图像

图4 CrMoNbWTi-CNO RHEA室温压缩的应力-应变曲线和典型RHEAs室温压缩屈服强度和硬度分布

综上所述，本研究采用MA和SPS技术制备了含有C、N、O多种非金属原子的新型CrMoNbWTi RHEA。烧结后，C主要溶于BCC固溶体中，N和O完全与难熔金属元素反应，形成块状晶间(Nb，Ti)N和Ti2O3。烧结后的RHEA具有超高的强度和硬度，分别为4345MPa和11.88GPa，机械性能大大高于传统铸态RHEA，本文明确了非金属原子（C、N、O）对RHEA的强化机制。

来源：材料科学与工程