稀土氧化物增强轻质难熔高熵合金相形成及强韧化机制研究

Low-density, refractory high entropy alloys are good candidate for high temperature application in aerospace and nuclear power indurstries because of its good high temperature stability, high temperature mechanical properties and high temperature oxidation resistance. With ultrafine or nano rare-earth oxide dispersion strengthening, it is expected to further improve the high temperature performance of the alloys. In this proposal, an ultrafine or nano rare-earth oxide dispersed lightweight refractory high entropy alloy are going to be designed and developed through mechanical alloying, hot deformation and heat treatment. The effects of the alloying elements and preparation method on microstructure and properties of the refractory high entropy are going to be studied; the formation mechanism of the ultrafine or nano rare-earth oxides and the strengthening and toughening mechanism induced by rare-earth oxides are to be clarified, and the relationships among the composition, process, microstructure and property are to be explored. This research is expected to lay the theoretical foundation for the structural design and performance optimization of refractory high entropy alloy.

轻质难熔高熵合金是一类应用前景广阔的新型高温结构材料，通过超细/纳米稀土氧化物弥散强化可望进一步提高合金高温性能。本项目拟以超细/纳米稀土氧化物弥散强化轻质难熔高熵合金为研究对象，采用实验和数值模拟相结合的方法，开展成分设计、制备技术、微观结构和性能优化、力学行为及分子动力学变形模拟等研究，旨在阐明超细/纳米氧化物和高熵相的形成机理，揭示稀土氧化物引起的强韧化机制，获得成分—工艺—微观结构—性能的定量关联性。通过以上研究，力图形成具有优异室/高温力学性能的稀土氧化物增强轻质难熔高熵合金的设计原理及制备技术原型，研究成果将为难熔高熵合金的结构设计、性能优化奠定理论基础。

高温性能优异的中高熵合金是一类应用前景广阔的新型高温结构材料，在航空航天领域有广泛的应用前景，通过稀土氧化物弥散强化可望进一步提高合金高温性能。本项目以稀土氧化物弥散强化中/高熵合金为研究目标，开展了合金的成分设计、相/微结构的形成机制、室/高温力学行为、强韧化机制及辐照行为等方面的研究。取得下列主要创新成果：.1. 开发了集成机械合金化、粉末喷雾造粒和高温等离子球化等的高性能难熔高熵合金粉末批量制备新技术，实现了100公斤级的难熔高熵合金球形粉末的小批量制备，所制备粉末有望实现在增材制造、表面喷涂等领域得到应用。.2. 设计并制备了新型粉末冶金NbTaTiVAlx系轻质难熔高熵合金，其室温和1000ºC高温压缩强度分别达到2.19GPa和437MPa，室温比强度达到207.11MPa*cm3/g，可作为稀土氧化物弥散强化高熵合金的理想基体材料。.3. 设计并制备了力学性能和耐蚀性能均优异的新型粉末冶金FeCrNi系3d过渡族中熵合金，其室温屈服强度较常规FeCoCrNiMn高熵合金和316L不锈钢分别提高了50%和一倍以上，耐蚀性能较现有316L系不锈钢亦有大幅提升。.4. 成功研制了粉末冶金ODS-NbTaTiV系难熔高熵合金，获得了由纳米Y2Ti2O7颗粒、亚微米Ti-(O,N)颗粒等组成的多尺度颗粒弥散强化新结构，相较于基体合金，其室高温强度均得到了明显提升，在航空航天高温结构材料领域有良好应用前景。.5. 成功研制了含Y2Ti2O7、Y2TiO5和Y2O3等多种复合纳米稀土氧化物颗粒的粉末冶金ODS-FeCrNi系中熵合金，复合稀土氧化物颗粒的存在不仅使得该合金具有优异的室/高温力学性能，而且获得了良好的抗辐照性能。.以上成果对于理解粉末冶金稀土氧化物弥散强化中高熵合金的微结构演化及强韧化等方面具有重要科学意义。项目期内，在Scripta Materialia等期刊发表论文18篇（含接收1篇），申请国家发明专利5项（其中授权3项），在国内外学术会议作特邀报告7次，培养博士后1名，毕业博硕士研究生7名。.