研究背景与作者信息
本研究由潘家怡在东南大学材料科学与工程学院完成，导师为戴挺。研究论文于2019年4月提交，作为硕士学位论文的一部分。研究聚焦于高熵合金（High Entropy Alloys, HEAs）的制备与性能，特别是Nb-Mo-Ta-W系高熵合金的制备工艺及其力学性能。
学术背景
高熵合金是一种由五种或五种以上主要元素按等摩尔比或近等摩尔比组成的固溶体合金。由于其独特的成分设计，高熵合金展现出优异的力学性能、耐腐蚀性和热稳定性，被认为是航空航天领域的新型高温结构材料。然而，传统的高熔点高熵合金通常具有体心立方（BCC）固溶体结构，室温塑性较差，且传统熔铸法制备的合金晶粒粗大、强度低。因此，本研究旨在通过优化制备工艺和成分设计，改善高熵合金的强度与塑性平衡。
研究流程
研究主要分为以下几个步骤：
机械合金化（Mechanical Alloying, MA）：
- 研究通过机械合金化制备高熵合金粉末。优化了球磨工艺参数，包括控制剂、球磨时间、转速和球料比。最终确定在室温氩气环境下，使用丙酮作为控制剂，球料比为15:1，转速为400 rpm，转停比为60 min/10 min，球磨60小时后粉末完成合金化。
放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）：
- 通过放电等离子烧结技术制备块体高熵合金。优化了烧结压力、升温速率、热处理和烧结温度等参数。最终确定在烧结温度为1600℃、压力为35 MPa、升温速率为450℃-1200℃（50℃/min）和1200℃-1600℃（25℃/min）的条件下，保温8分钟，可获得致密度最高的块体高熵合金。
合金成分设计：
- 研究设计了两种合金成分：Nb25Mo25Ta25W25和Ti8Nb23Mo23Ta23W23。通过对比这两种合金的合金化过程、相组成和显微组织，发现Ti元素的添加对合金化过程无明显影响，但能细化晶粒尺寸。
性能测试：
- 对制备的高熵合金进行了室温压缩试验、显微组织分析和耐腐蚀性能测试。结果表明，Nb25Mo25Ta25W25合金的屈服强度为2460 MPa，最大抗压强度为3016 MPa，断裂应变为16.8%，维氏硬度为7.78 GPa。Ti8Nb23Mo23Ta23W23合金的断裂应变和最大抗压强度分别提高了56.5%和10.7%，屈服强度仅下降3.4%，且耐腐蚀性能有所提升。
主要结果
- 合金化过程：合金化速率与各元素的熔点和脆性相关，高熔点元素具有更强的原子结合性，导致扩散系数降低。单质元素塑性越低，球磨时越容易破碎，从而促进合金化。
- 相组成与显微组织：粉末态合金为单相BCC固溶体，烧结态合金由富Mo-W的BCC1基体相和富Nb-Ta的BCC2相组成，平均晶粒尺寸为0.88 μm，晶粒细化效果显著。
- 力学性能：Nb25Mo25Ta25W25合金表现出良好的综合力学性能，Ti8Nb23Mo23Ta23W23合金在保持高强度的同时，显著提高了断裂应变和耐腐蚀性能。
结论与意义
本研究通过机械合金化和放电等离子烧结技术成功制备了高致密度的Nb-Mo-Ta-W系高熵合金，并通过优化工艺参数和成分设计，显著改善了合金的力学性能和耐腐蚀性能。研究结果表明，Ti元素的添加能够细化晶粒，提高合金的断裂应变和耐腐蚀性，同时保持较高的强度。该研究为高熵合金在航空航天等高温结构材料领域的应用提供了理论依据和技术支持。
研究亮点
- 新颖的制备工艺：结合机械合金化和放电等离子烧结技术，成功制备了高致密度的高熵合金。
- 成分设计的创新：通过添加Ti元素，显著改善了合金的断裂应变和耐腐蚀性能。
- 优异的力学性能：制备的高熵合金在室温下表现出高强度和良好的塑性，具有明显的屈服平台。
其他有价值的内容
研究还探讨了高熵合金的四大效应：高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应，进一步解释了高熵合金优异性能的来源。这些效应的深入理解为未来高熵合金的设计和优化提供了重要参考。
总结
本研究通过系统的实验设计和优化，成功制备了具有优异力学性能和耐腐蚀性能的高熵合金，为高熵合金在高温结构材料领域的应用提供了新的思路和方法。