Y对WTaCrVTi高熵合金的组织结构与力学性能的影响

陈时杰; 张世荣; 薛丽红; 严有为; 张五星

doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20240912.001

Y对WTaCrVTi高熵合金的组织结构与力学性能的影响

华中科技大学　材料科学与工程学院，材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉 430074

基金项目: 国家磁约束核聚变能发展研究专项(2018YFE0306104)；材料成形与模具技术国家重点实验室开放课题研究基金(P2023-024)

详细信息

通讯作者:
薛丽红，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为功能/结构复合材料　E-mail: xuelh@hust.edu.cn

中图分类号: TB331
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出版历程
- 收稿日期: 2024-06-18
- 修回日期: 2024-08-26
- 录用日期: 2024-08-27
- 网络出版日期: 2024-09-17
- 发布日期: 2024-09-11
- 刊出日期: 2024-11-26

Effect of Y on the microstructure and mechanical properties of WTaCrVTi high-entropy alloys

State Key Laboratory of Materials Processing and Die and Mould Technology, School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

Funds: National Research Project on the Development of Magnetic Confinement Nuclear Fusion Energy (2018YFE0306104); Open Research Fund of the State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology (P2023-024)

摘要

摘要:
WTaCrVTi高熵合金具有良好的力学性能和抗辐照性能，且各组元具有低中子活化特性，可用于核聚变堆的中子辐照环境中，因此，该合金在核聚变堆中具有潜在的应用前景。但该合金在制备过程中易发生元素偏析和富集，造成组织结构不均匀，为了提高组织结构的均匀性，采用机械合金化法结合放电等离子体烧结技术制备了WTaCrVTi₆Y_x高熵合金，研究了Y对合金的组织结构和力学性能的影响。结果表明：未添加Y的合金包含固溶体、TiO、Laves相和富Ta相。具有BCC结构的固溶体为基体，其中W、Ta、Cr、V的原子比趋于等原子比；TiO颗粒的平均尺寸为(1.08±0.38) μm，均匀分布在基体中；Laves相和富Ta相零星分布在基体中。而添加了6at% Y的合金主要包含BCC结构的固溶体和Y₂O₃颗粒，Y₂O₃颗粒的平均尺寸约为(1.25±0.85) μm，固溶体的W、Ta、Cr、V的原子比趋于1，该合金的室温压缩屈服强度和硬度分别为2674 MPa和HV (848.6±9.3)。
- 难熔高熵合金 /
- 机械合金化 /
- 放电等离子体烧结 /
- 微观结构 /
- 均匀性 /
- 力学性能
Abstract:
WTaCrVTi high entropy alloys have excellent mechanical properties and irradiation resistance, and the individual components have low neutron activity, which can be used in the neutron irradiation environment of nuclear fusion reactors. Thus, they have potential applications in nuclear fusion reactors. However, elemental segregation and enrichment exist in the alloys during the preparation process, resulting in an inhomogeneous microstructure. In order to improve the homogeneity of the microstructures, mechanical alloying combined with spark plasma sintering was adopted to prepare WTaCrVTi₆Y_x high entropy alloys. The effects of Y content on the microstructure and mechanical properties of high-entropy alloys were explored. It is found that the alloys without Y addition include the solid solution, TiO particles, laves phases and Ta-rich phases. The solid solution with BCC structure is the matrix, and the atomic ratios of W, Ta, Cr and V are close to be equal. The TiO particles are uniformly distributed in the matrix with an average particle size of (1.08±0.38) μm. The laves and the Ta-rich phases are sporadically distributed in the matrix. While, the alloys with the addition of 6at% Y is mainly composed of the solid solution with BCC structure and Y₂O₃ particles. The average size of Y₂O₃ particles is about (1.25±0.85) μm. And the atomic ratios of W, Ta, Cr, and V in the BCC phase tend to be 1. The room-temperature compressive yield strength and hardness of this alloy reach 2674 MPa and HV (848.6±9.3), respectively.
- refractory high-entropy alloy /
- mechanical alloying /
- spark plasma sintering /
- microstructure /
- homogeneous /
- mechanical properties

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钨被认为是核聚变堆中面向等离子体第一壁的候选材料^[1-3]，但其存在韧脆转变温度高、再结晶温度低、抗高温氧化性能差、辐照脆化、高热负荷开裂熔化、等离子刻蚀严重等缺点。这些缺点导致纯W无法完全满足未来核聚变堆服役的环境需求，因此，探索开发新型W基材料是推进核聚变反应堆应用的关键之一。

难熔高熵合金(Refractory high-entropy alloys，RHEAs)^[4]是以等摩尔比或近等摩尔比混合多种高熔点元素，如Hf、Nb、Ta、Mo、W 等前过渡族金属元素，具有一些传统合金无法比拟的优异性能，如高强度、高硬度、高耐磨性能、高温稳定性、抗氧化性能及抗辐照性能等^[5-10]。因此，难熔高熵合金在核聚变堆中具有潜在的应用前景。

2019年，El-Atwani等^[11]采用磁控溅射法制备了纳米晶WTaCrV高熵合金薄膜，该合金薄膜具有高硬度和杰出的抗辐照性能。Waseem等^[12]采用机械混粉和放电等离子体烧结技术制备出块体WTaCrVTi_x高熵合金，研究了Ti对高熵合金组织结构的影响，发现Ti有助于BCC固溶体的形成，当Ti含量为7at%时，合金的压缩强度和硬度分别为2069 MPa和714 HV。由于W、Ta、V、Cr和Ti元素具有低中子活化特性，可用于核聚变堆的中子辐照环境中，因此，WTaCrVTi系高熵合金开始引起研究者的关注。WTaCrVTi合金的制备一般采用磁控溅射^{[11, 13-14]}、电弧熔炼法^[15-18]和粉末冶金法^[19-21]。由于合金含有多种组元，制备过程中易发生元素偏析和富集，不仅造成合金中固溶体的各组元比例偏离等原子比，而且存在大量富Ta相、富Cr相、Laves相和氧化物等，合金的组织结构不均匀。

Y是一种常用的合金元素，烧结过程中它能促使其他高熔点金属元素的扩散，改善钨合金的组织结构^[22]。另外，Y与O有更高的反应活性，可形成Y₂O₃颗粒， Y₂O₃弥散分布在基体中，钉扎在晶界处，可抑制晶粒长大^[23]。

因此，为了进一步改善WTaCrVTi合金的组织结构，本文采用机械合金化(Mechanical alloying，MA)结合放电等离子体烧结(Spark plasma sintering，SPS)制备了WTaCrVTi₆Y_x高熵合金，研究了Y含量对合金的组织结构和力学性能的影响。

1. 实验材料及方法

实验原材料为W粉(纯度99.98%，1~5 μm，阿拉丁)，Ta粉(纯度99.9%，~45 μm，阿拉丁)，Cr粉(纯度 99.5%，≥45 μm，阿拉丁)，V粉(纯度 99.5%，≥45 μm，阿拉丁)，Ti粉(纯度99.99%，≥38 μm，阿拉丁)和Y粉(纯度99.9%，阿拉丁)。采用文献[3]的MA和SPS工艺制备高熵合金。按照W_23.5−x/4Ta_23.5−x/4Cr_23.5−x/4V_23.5−x/4Ti₆Y_x(x=0at%、2at%、4at%、6at%)计量比称量，在QM-3 SP4型(南京南大仪器有限公司)行星球磨机上进行球磨，转速为250 r/min，球磨时间为40 h。将球磨后的粉末在日本 SinterLand 的 LABOX-1575型放电等离子体烧结炉中进行烧结，以100℃/min的速率升温至1500℃，在50 MPa压力下保温10 min，然后随炉冷却。最终获得圆柱形烧结试样，直径为20 mm，厚度为4 mm。为了便于叙述，不同Y含量的粉末或合金记为Y_x (x表示Y元素原子比)。

将圆柱体试样的上下两面依次采用30 μm、15 μm金刚石砂纸打磨，然后采用线切割技术将烧结样品切割为直径4 mm、高6 mm的圆柱形压缩试样。

采用X射线衍射仪(XRD，X'pert PRO，荷兰)分析材料的物相组成，管电压40 kV，管电流30 mA，射线源为Cu-Kα；采用扫描电子显微镜(SEM，Nova NanoSEM 450，荷兰)、能谱仪(EDS)及电子探针X射线显微分析仪(EPMA，JXA-8530F PLUS，日本)分别检测材料的显微结构和成分。

采用万能材料试验机(Universal Material Tester，Zwick Z020，德国)测试合金的压缩强度；采用维氏硬度仪(Wilson Hardness，430SVD，美国)测定合金的硬度，负载为15 kg，保压时间 10 s，测量5次后取平均值。

合金块体使用 ZY-300Z型密度天平(扬州正艺试验机械有限公司)测量样品的实际密度 ${\rho }_{{\mathrm{a}}}$ ，其原理是通过阿基米德排水法测量。利用无序固溶体的理论密度公式(1)计算高熵合金的理论密度 ${\rho }_{{\mathrm{theor}}}$ ，公式如下：

${\rho }_{{\mathrm{theor}}}=\frac{\displaystyle\sum {C}_{i}{A}_{i}}{\displaystyle\sum {{C}_{i}{A}_{i}}/{{\rho }_{i}}}$

(1)

式中： ${\rho }_{i}$ 为组元的密度； ${A}_{i}$ 为组元的原子质量； ${C}_{i}$ 为组元的含量。

根据下式计算合金的相对密度 ${R}_{{\mathrm{c}}}$ ：

${R}_{{\mathrm{c}}}=\frac{{\rho }_{{\mathrm{a}}}}{{\rho }_{{\mathrm{theor}}}}\times 100\%$

(2)

2. 结果与讨论

2.1 不同Y含量的合金粉末的显微结构

图1是不同Y含量的合金粉末的XRD图谱。从图谱中可观测到W、Ta、Cr、V、Ti各组元的衍射峰，在添加Y的粉末中还观察到了Y₂O₃的衍射峰。相较Ti、Cr等元素，Y对O元素的亲和力最大。因此，在球磨过程中，Y会与粉末中残留的O₂优先反应形成稳定的Y₂O₃，并随着Y含量的增加，Y₂O₃衍射峰的强度明显增加。

图 1 WTaCrVTi₆Y_x合金粉末的XRD图谱

Figure 1. XRD patterns of the WTaCrVTi₆Y_x alloy powders

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图2为合金粉末的背散射SEM图像。随着Y含量的增加，合金粉末的形态由不规则片状逐渐变为小尺寸的等轴颗粒，形态和尺寸趋于均匀。这表明Y的添加可促进合金粉末颗粒的细化。这是由于Y在高能球磨过程中，可与各元素固溶，从而引起粉末颗粒硬化，降低粉末的塑性变形能力，使粉末破碎为小尺寸的细颗粒。添加的Y含量越多，Y固溶的越多，粉末细化效果越显著^[24]。合金粉末颗粒的细化使其具有更大的表面积和更高的反应活性，可以促进烧结组织的致密化和均匀化。

2.2 不同Y含量的合金的组织结构

将不同Y含量的合金粉末在1500℃进行SPS烧结，得到块体合金。图3是不同Y含量的WTaCrVTi₆Y_x高熵合金的XRD图谱。所有合金均包含BCC相和FCC相，Y₀、Y₂和Y₄合金中还观察到Laves相。随着Y含量的增加，合金中的FCC相和Laves相的衍射峰的数量和强度逐渐下降。另外，添加Y的Y₂、Y₄和Y₆合金中观察到了Y₂O₃衍射峰。

图 2 WTaCrVTi₆Y_x合金粉末的SEM图像: (a) Y₀；(b) Y₂；(c) Y₄；(d) Y₆

Figure 2. SEM images of WTaCrVTi₆Y_x alloy powders: (a) Y₀; (b) Y₂; (c) Y₄; (d) Y₆

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图 3 WTaCrVTi₆Y_x高熵合金的XRD图谱

Figure 3. XRD patterns of WTaCrVTi₆Y_x high-entropy alloys

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根据谢乐公式(3)^[25]计算出各合金中BCC相的平均晶粒尺寸，如图4所示。可见，随着Y含量增加，BCC相的平均晶粒尺寸降低，表明Y元素可细化合金的组织结构。

图 4 不同Y含量合金中BCC相的平均晶粒尺寸

Figure 4. Average grain size of BCC phase in the alloys with different Y contents

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$d=\frac{0.89\lambda }{{W}_{2\theta }{\cos\theta }_{\left(hkl\right)}}$

(3)

式中：d为平均晶粒尺寸； $\lambda$ 为X射线衍射束波长(Cu靶，0.15406 nm)； $\theta$ 为衍射角； ${W}_{2\theta }$ 为半峰宽。

图5是不同Y含量的WTaCrVTi₆Y_x高熵合金的背散射SEM图像。Y₀合金包含A、B、C、D相；Y₂和Y₄合金包含A、B、C相，未观察到D相；Y₆合金主要包含A和C相。对不同Y含量的合金的各个相进行EDS分析，结果如表1所示。结合XRD，可知A为BCC结构的WTaCrVTi固溶体；B为Laves相，富含Ta、Cr、V元素；C为 TiO或Ti/Y混合氧化物或Y₂O₃；D为富Ta相。

图 5 WTaCrVTi₆Y_x高熵合金的背散射SEM图像：(a) Y₀；(b) Y₂；(c) Y₄；(d) Y₆

Figure 5. BSE-SEM images of WTaCrVTi₆Y_xhigh entropy alloys: (a) Y₀; (b) Y₂; (c) Y₄; (d) Y₆

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表 1 WTaCrVTi₆Y_x高熵合金中各个相的元素含量

Table 1. Elemental content of individual phases in WTaCrVTi₆Y_x high-entropy alloys

Alloy	Area	Element content/at%							Phase
Alloy	Area	W	Ta	Cr	V	Ti	Y	O	Phase
Y₀	A	24.49	24.36	24.54	24.55	2.06	0	0	Solid solution
	B	9.16	26.94	41.57	17.99	0.79	0	3.55	Laves
	C	1.08	1.42	2.98	6.81	38.11	0	49.60	TiO
	D	1.95	91.68	0.89	1.91	0.47	0	3.10	Ta
Y₂	A	43.90	25.29	14.90	12.56	3.35	0	0	Solid solution
	B	8.47	34.01	36.47	18.93	2.12	0	0	Laves
	C	0	0	0	0	17.49	17.40	65.11	(Ti/Y)-O
Y₄	A	30.84	28.21	19.27	16.26	5.42	0	0	Solid solution
	B	8.13	33.75	39.25	15.07	3.79	0	0	Laves
	C	0	0	0	0	0	38.86	61.14	Y₂O₃
Y₆	A	25.12	24.94	22.03	23.66	4.25	0	0	Solid solution
Y₆	C	0	0	0	0	0	39.14	60.85	Y₂O₃

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Y₀合金中，BCC结构的固溶体连续分布，为基体，固溶体的W、Ta、Cr、V的原子比趋于等原子比，黑色TiO颗粒均匀分布在基体中，平均颗粒尺寸为(1.08±0.38) μm，Laves相和富Ta相零星分布在基体中。在含Cr的RHEAs中经常观察到Laves相的形成^[26-28]，这是由于Cr和其他元素之间的原子半径差异大，有利于AB₂型Laves相的形成，如TaCr₂。另外，Ti的添加，还可能促进TaV₂、VTa₂和TiCr₂^[12]等Laves相的形成。因此，Laves相富含Ta、Cr、V元素。Y₂合金中，固溶体中的W、Ta、Cr、V的原子比偏离等原子比，Cr和V的含量偏少，黑色颗粒为TiO和Y₂O₃的混合颗粒，局部出现团聚现象，Laves相呈不规则形状，富Ta相消失。Y₄合金的组织结构与Y₂合金相似，但固溶体中的Cr和V的含量相对Y₂合金有所增加，黑色颗粒主要为Y₂O₃。Y₆合金主要包含BCC结构的固溶体和黑色Y₂O₃颗粒，未观察到明显的Laves相，固溶体的W、Ta、Cr、V的原子比趋于1。Ti和Y具有良好的亲氧性，在烧结过程中，它们会与粉末中残留的O反应生成黑色TiO或Y₂O₃。但Y的亲氧能力高于Ti，因此，有Y存在且充足的情况下，合金的氧化物颗粒以Y₂O₃为主。另外，含Y合金的BCC相中的Ti含量(3.35at%~5.42at%)均高于未含Y合金(2.06at%)，表明Y的添加有助于各元素的互溶，从而促进BCC结构固溶体的形成。

图6是不同Y含量的WTaCrVTi₆Y_x高熵合金断口的SEM图像。BCC相的平均晶粒尺寸分别为6.96 μm、6.35 μm、5.80 μm、5.05 μm。这进一步验证了XRD的计算结果，表明Y元素可细化合金的BCC组织结构。这可能是由于Y与O易形成Y₂O₃颗粒， Y₂O₃弥散分布在基体中，钉扎在晶界处，抑制了晶粒长大^[23]。

图 6 不同Y含量WTaCrVTi₆Y_x高熵合金断口的SEM图像：(a) Y₀；(b) Y₂；(c) Y₄；(d) Y₆

Figure 6. SEM images of WTaCrVTi₆Y_xhigh entropy alloys fractures with different Y contents: (a) Y₀; (b) Y₂; (c) Y₄; (d) Y₆

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图7分别是Y₀、Y₄和Y₆合金的电子探针X射线显微分析(EPMA)图像。Y₀和Y₄图像中， Ta、Cr、V等元素在BCC相中分布不均，Y₀中，黑色颗粒主要为TiO，而Y₄中的黑色颗粒主要为Y₂O₃。当Y的添加量达到6at%，EPMA图像表明BCC相中W、Ta、Cr、V和Ti元素分布均匀，这是由于，如前所述，Y的添加可促进合金粉末颗粒的细化，使其具有更大的表面积和更高的反应活性，可以促进烧结组织的致密化和均匀化。另外，SPS烧结温度为1500℃，但实际温度一般高于该温度100~300℃，因此，低熔点的Y (熔点为1522℃)有可能熔化形成液相，液相可促使其他固相组分的相互扩散，有利于均匀BCC相的形成。该合金中黑色颗粒主要为Y₂O₃，平均尺寸约为(1.25±0.85) μm。

图 7 WTaCrVTi₆Y_x合金的电子探针X射线显微分析图像：(a) Y₀；(b) Y₄；(c) Y₆

Ave—Average; Conc.—Concentration

Figure 7. Electron probe X-ray micro-analysis images of the WTaCrVTi₆Y_x alloy: (a) Y₀; (b) Y₄; (c) Y₆

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2.3 合金的力学性能

表2为WTaCVTi₆Y_x合金的密度。由表可知，采用MA和SPS制备的合金致密，合金的相对密度均在99.8%~99.9%。

表 2 WTaCrVTi₆Y_x合金的密度

Table 2. Density of the WTaCrVTi₆Y_x alloys

Alloy	Actual density/ (g·cm⁻³)	Theoretical density/ (g·cm⁻³)	Relative density/%
Y₀	12.398	12.407	99.9
Y₂	12.026	12.056	99.8
Y₄	11.706	11.722	99.8
Y₆	11.399	11.402	99.9

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图8分别为WTaCVTi₆Y_x高熵合金的室温压缩强度和显微硬度。添加Y的合金的室温压缩强度和显微硬度均比未添加Y的合金的小。这可能是由于氧化物颗粒的组成、含量和分布发生变化造成的。相对含Y的合金，Y₀合金的氧化钛颗粒细小，且均匀分布在基体中，起到了更好的强化作用。对于含Y合金，随着Y含量的增加，合金的室温压缩强度和显微硬度也随之增强，Y₆合金的室温压缩屈服强度和硬度达到最高，分别为2674 MPa和(848.6±9.3) HV。这是由于，随Y含量增加，一方面BCC相的晶粒尺寸减小，起到细晶强化作用，另一方面BCC相的各元素含量趋于等原子比，具有更高的混合熵效应所致。

3. 结论

(1)随着Y含量的增加，合金的晶粒尺寸减小，FCC相和Laves相的数量降低。当Y的添加量为6at%时，合金主要包含BCC结构固溶体和Y₂O₃颗粒，Y₂O₃颗粒的平均尺寸约为(1.25±0.85) μm，均匀分布在基体中，固溶体的W、Ta、Cr、V的原子比趋于1。

(2) Y₆合金的室温压缩屈服强度和硬度达到最高，分别为2674 MPa和(848.6±9.3) HV。这是由于，随Y含量增加，一方面BCC相的晶粒尺寸减小，另一方面BCC相的各元素含量趋于等原子比，合金具有更高的混合熵和晶粒细化效应。

图 8 WTaCrVTi₆Y_x高熵合金力学性能：(a)室温压缩性能；(b)显微硬度

Figure 8. Mechanical properties of WTaCrVTi₆Y_x high entropy alloy: (a) Room temperature compression properties; (b) Microhardness

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图 1 WTaCrVTi₆Y_x合金粉末的XRD图谱

Figure 1. XRD patterns of the WTaCrVTi₆Y_x alloy powders

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图 2 WTaCrVTi₆Y_x合金粉末的SEM图像: (a) Y₀；(b) Y₂；(c) Y₄；(d) Y₆

Figure 2. SEM images of WTaCrVTi₆Y_x alloy powders: (a) Y₀; (b) Y₂; (c) Y₄; (d) Y₆

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图 3 WTaCrVTi₆Y_x高熵合金的XRD图谱

Figure 3. XRD patterns of WTaCrVTi₆Y_x high-entropy alloys

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图 4 不同Y含量合金中BCC相的平均晶粒尺寸

Figure 4. Average grain size of BCC phase in the alloys with different Y contents

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图 5 WTaCrVTi₆Y_x高熵合金的背散射SEM图像：(a) Y₀；(b) Y₂；(c) Y₄；(d) Y₆

Figure 5. BSE-SEM images of WTaCrVTi₆Y_xhigh entropy alloys: (a) Y₀; (b) Y₂; (c) Y₄; (d) Y₆

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图 6 不同Y含量WTaCrVTi₆Y_x高熵合金断口的SEM图像：(a) Y₀；(b) Y₂；(c) Y₄；(d) Y₆

Figure 6. SEM images of WTaCrVTi₆Y_xhigh entropy alloys fractures with different Y contents: (a) Y₀; (b) Y₂; (c) Y₄; (d) Y₆

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图 7 WTaCrVTi₆Y_x合金的电子探针X射线显微分析图像：(a) Y₀；(b) Y₄；(c) Y₆

Ave—Average; Conc.—Concentration

Figure 7. Electron probe X-ray micro-analysis images of the WTaCrVTi₆Y_x alloy: (a) Y₀; (b) Y₄; (c) Y₆

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图 8 WTaCrVTi₆Y_x高熵合金力学性能：(a)室温压缩性能；(b)显微硬度

Figure 8. Mechanical properties of WTaCrVTi₆Y_x high entropy alloy: (a) Room temperature compression properties; (b) Microhardness

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表 1 WTaCrVTi₆Y_x高熵合金中各个相的元素含量

Table 1 Elemental content of individual phases in WTaCrVTi₆Y_x high-entropy alloys

Alloy	Area	Element content/at%							Phase
Alloy	Area	W	Ta	Cr	V	Ti	Y	O	Phase
Y₀	A	24.49	24.36	24.54	24.55	2.06	0	0	Solid solution
	B	9.16	26.94	41.57	17.99	0.79	0	3.55	Laves
	C	1.08	1.42	2.98	6.81	38.11	0	49.60	TiO
	D	1.95	91.68	0.89	1.91	0.47	0	3.10	Ta
Y₂	A	43.90	25.29	14.90	12.56	3.35	0	0	Solid solution
	B	8.47	34.01	36.47	18.93	2.12	0	0	Laves
	C	0	0	0	0	17.49	17.40	65.11	(Ti/Y)-O
Y₄	A	30.84	28.21	19.27	16.26	5.42	0	0	Solid solution
	B	8.13	33.75	39.25	15.07	3.79	0	0	Laves
	C	0	0	0	0	0	38.86	61.14	Y₂O₃
Y₆	A	25.12	24.94	22.03	23.66	4.25	0	0	Solid solution
Y₆	C	0	0	0	0	0	39.14	60.85	Y₂O₃

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表 2 WTaCrVTi₆Y_x合金的密度

Table 2 Density of the WTaCrVTi₆Y_x alloys

Alloy	Actual density/ (g·cm⁻³)	Theoretical density/ (g·cm⁻³)	Relative density/%
Y₀	12.398	12.407	99.9
Y₂	12.026	12.056	99.8
Y₄	11.706	11.722	99.8
Y₆	11.399	11.402	99.9

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参考文献(28)

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WTaCrVTi高熵合金具有优良的力学性能和抗辐照性能，在核聚变堆中具有潜在的应用前景。但该合金含有多种组元，制备过程中易发生元素偏析和富集，不仅造成合金中固溶体的各组元比例偏离等原子比，而且存在大量富Ta相、富Cr相、Lave相和氧化物等，使合金的组织结构不均匀。
Y是一种常用的合金元素，烧结过程中它能促使其它高熔点金属元素的扩散，改善合金的组织结构，并细化晶粒。本文将Y引入到WTaCrVTi₆高熵合金中，通过MA-SPS方法制备不同Y含量的WTaCrVTi₆Y_x高熵合金，研究了Y含量对合金的组织结构和力学性能的影响。随着Y含量的增加，合金的晶粒尺寸减小，富Ta相和Laves相的数量降低，氧化物颗粒由TiO变为以Y₂O₃为主。当Y的添加量为6 at%时，合金主要为BCC结构的固溶体和Y₂O₃颗粒构成，Y₂O₃颗粒的平均尺寸约为1.25±0.85 μm，固溶体的W、Ta、Cr、V的原子比趋于1。该合金的室温压缩屈服强度和硬度分别为2674 MPa和848.6 ±9.3 HV。这是因为，随Y含量增加，BCC相的晶粒尺寸减小，且BCC相的各元素含量趋于等原子比，因此，合金具有更高的混合熵和晶粒细化效应。
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WTaCrVTi₆ (a)与WTaCrVTi₆Y₆(b)合金的背散射SEM照片

图(8) / 表(2)

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1. 实验材料及方法
2. 结果与讨论
2.1 不同Y含量的合金粉末的显微结构
2.2 不同Y含量的合金的组织结构
2.3 合金的力学性能
3. 结论

Y对WTaCrVTi高熵合金的组织结构与力学性能的影响

通讯作者: 薛丽红，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为功能/结构复合材料 E-mail: xuelh@hust.edu.cn

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