学术报告：nbmotaw型难熔高熵合金的数值模拟与实验验证研究

1. 研究背景与作者信息

本博士学位论文由莫金勇在中国矿业大学完成，导师为沈宝龙教授和梁秀兵研究员。论文于2023年4月提交，属于矿物材料工程学科，研究方向为难熔高熵合金。论文的主要研究内容围绕nbmotaw型难熔高熵合金的数值模拟与实验验证展开，旨在通过理论计算与实验相结合的方式，揭示该类合金的微观结构、相演化规律及力学性能，并探索其在高温度环境下的应用潜力。

2. 学术背景与研究动机

难熔高熵合金（Refractory High-Entropy Alloys, RHEAs）是一类由多种难熔金属元素（如Nb、Mo、Ta、W等）组成的新型合金材料，具有高硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及优异的高温力学性能。随着航空航天、核工业等领域的快速发展，对高温材料的需求日益增加，尤其是服役温度可能达到2000℃以上的极端环境。nbmotaw型难熔高熵合金因其在1600℃下仍能保持高达400 MPa的屈服强度，成为该领域的研究热点。

然而，nbmotaw合金在室温下的塑性较差，限制了其在实际工程中的应用。此外，难熔高熵合金的相结构演化、强化机制、微观结构等底层物理机制尚未完全明晰，阻碍了其快速更新换代。因此，本研究旨在通过CALPHAD（相图计算）和第一性原理计算等材料计算方法，设计并优化nbmotaw型合金，揭示其微观结构与力学性能之间的关系，进一步提升其综合力学性能。

3. 研究内容与工作流程

论文的研究内容主要分为三个部分：

3.1 Re元素合金化对nbmotaw合金的影响

为了提升nbmotaw合金的强度，研究了Re元素的添加对合金结构和力学性能的影响。通过第一性原理计算，发现nbmotawRex合金为单相体心立方（BCC）结构，随着Re含量的增加，合金的相稳定性降低，但弹性模量和硬度显著增强。电子结构分析表明，费米能级处的低电子态密度是合金保持单相BCC结构的重要原因。实验验证了铸态nbmotawRex合金的单相BCC结构，且晶格常数的计算值与实验值误差小于1%。然而，Re元素的添加导致合金塑性恶化，因此建议少量添加Re元素或与其他塑性提升元素（如Ti/Zr/Hf）共同合金化。

3.2 Hf元素合金化对nbmotaw合金的影响

为了改善nbmotaw合金的塑性，研究了Hf元素的添加对合金结构和力学性能的影响。第一性原理计算表明，nbmotawHfx合金中BCC相始终比FCC/HCP相更稳定。随着Hf含量的增加，合金的晶格畸变显著增强。XRD分析表明，当Hf含量x ≤ 0.92时，合金为单相BCC结构；当x > 0.92时，合金形成双相BCC结构。实验结果表明，Hf元素的添加显著提升了合金的强度和塑性，当x=0.92时，合金的综合力学性能最佳，屈服强度和塑性应变分别为1550 MPa和4.21%。此外，Hf元素完全替代nbmotaw中的一种元素后，形成的NbHfTaW合金表现出优异的力学性能，其最大压缩强度（2.31 GPa）比nbmotaw（1.28 GPa）提高了约80%，塑性应变（18.2%）是nbmotaw的6倍。

3.3 C元素合金化对nbmotaw和NbHfTaW合金的影响

研究了非金属元素C的添加对nbmotaw和NbHfTaW合金结构和性能的影响。通过CALPHAD方法，分析了C元素含量对(nbmotaw)1-xCx和(NbHfTaW)1-xCx合金相结构的影响。随着C含量的增加，合金经历了复杂的相变过程：BCC→BCC+FCC/HCP→BCC+FCC+HCP→FCC+HCP→FCC。选取x=0.5的成分进行深入分析，发现(nb0.25mo0.25ta0.25w0.25)C和(nb0.25hf0.25ta0.25w0.25)C具有极高的弹性模量、硬度和屈服强度，杨氏模量分别为434 GPa和445 GPa，硬度分别为16.8 GPa和19 GPa，屈服强度分别为5.6 GPa和6.3 GPa。C元素与难熔金属元素之间的轨道杂化形成的共价键是导致材料高强高硬的主要原因。

4. 主要研究结果

1. Re元素合金化：Re元素的添加显著提升了nbmotaw合金的强度和硬度，但导致塑性下降。建议通过控制Re元素的含量或与其他塑性提升元素共同合金化，以平衡合金的力学性能。
2. Hf元素合金化：Hf元素的添加显著改善了nbmotaw合金的塑性和强度，尤其是当Hf含量为0.92时，合金的综合力学性能最佳。Hf元素完全替代nbmotaw中的一种元素后，形成的NbHfTaW合金表现出优异的力学性能和弹性各向同性。
3. C元素合金化：C元素的添加显著提升了nbmotaw和NbHfTaW合金的弹性模量、硬度和屈服强度，C元素与难熔金属元素之间的共价键是导致材料高强高硬的主要原因。

5. 研究的意义与价值

本研究通过数值模拟与实验相结合的方式，深入揭示了nbmotaw型难熔高熵合金的微观结构、相演化规律及力学性能，为未来新型难熔高熵合金的设计与开发提供了理论依据。研究结果不仅有助于提升我国稀有难熔金属矿产的高效利用，还为航空航天、核工业等领域的高温材料研发提供了重要的参考。

6. 研究亮点

1. 创新性：本研究首次系统研究了Re、Hf和C元素对nbmotaw型难熔高熵合金的影响，揭示了其微观结构与力学性能之间的关系。
2. 方法新颖：结合CALPHAD和第一性原理计算，设计了新型合金成分，并通过实验验证了其力学性能。
3. 应用潜力：研究结果为未来高温材料的研发提供了重要的理论支持，尤其是在航空航天和核工业领域具有广阔的应用前景。

7. 结论与展望

本研究通过数值模拟与实验相结合的方式，系统研究了nbmotaw型难熔高熵合金的微观结构、相演化规律及力学性能，揭示了Re、Hf和C元素对合金性能的影响机制。研究结果为未来新型难熔高熵合金的设计与开发提供了重要的理论依据，具有重要的科学价值和应用潜力。未来研究可以进一步探索其他元素合金化对nbmotaw型合金的影响，并优化其综合力学性能，以满足更高温度环境下的应用需求。