难熔高熵合金氢致脱氧和增塑机理研究

The study of refractory high entropy alloys(HEAs) with Zr, Hf, Nb, Mo, Ta, W elements provides a new direction for the development of new performance high temperature structure materials. It was found that refractory HEAs due to their high strength and hardness, lower plastic deformation ability was difficult to deformation processing. It was found that the yield strength decreased significantly, room temperature plasticity increased, the oxygen content decreased and the microstructure was refined after the refractory high entropy alloy was remelted in hydrogen and argon mixture. In this subject, refractory HEAs containing the elements Ti, Zr, Hf, Nb and Mo are selected to study the thermodynamics and kinetics rules of hydrogenation and deoxidation, the existence form of hydrogen and hydrogen induced the deoxidation mechanism are revealed. The influence of hydrogenation on the microstructure and mechanical properties are studied for revealing the hydrogen induced plasticity microscopic mechanism. The change of the microstructure and mechanical properties after dehydrogenation will be studied for finding the optimal dehydrogenation technology route. These study can provide theoretical and experimental basis for preparing refractory HEAs with lower oxygen content, better microstructure and plasticity, by remelted in hydrogen and argon mixture.

以Zr、Hf、Nb、Mo、Ta、W等高熔点元素为主元的难熔高熵合金的研究，为开发新型性能优异的高温结构材料提供了新方向。由于这些难熔高熵合金具有较高的强度、硬度，较低的塑性变形能力，其变形加工能力整体上表现较差。项目组在前期的探索过程中发现，在氢氩混合气氛下熔炼制备的难熔高熵合金的屈服强度大幅下降，室温塑性明显增加，合金内的氧含量明显降低，显微组织也得到了细化。本项目选择Ti、Zr、Hf、Nb、Mo为主元的难熔高熵合金为对象，研究氢氩混合气氛熔炼难熔高熵合金的吸氢和脱氧的热力学和动力学规律，揭示氢在难熔高熵合金内的存在形式和氢致脱氧机理，研究氢化对难熔高熵合金的微观结构和力学性能的影响规律，揭示氢致难熔高熵合金增塑的微观机理，研究脱氢后的高熵合金的组织和力学性能的变化规律，确定最优的脱氢技术路径，为同步实现氢氩混合气氛下难熔高熵合金制备、合金脱氧、组织细化、塑性增加奠定理论和技术基础。

基于难熔元素的难熔高熵合金一经提出就凭借独特的组织性能一跃成为高温结构材料研究中的热点，但是难熔高熵合金的室温低塑韧性等劣势严重制约着其应用前景。为了解决难熔高熵合金低塑韧性的问题并开发新型高强高韧难熔高熵合金，本文利用电弧熔炼液态置氢的方式制备了含氢难熔高熵合金，并研究了液态置氢对其氧含量、显微组织和机械性能等方面的影响开展了研究。.首先研究了难熔高熵合金TiZrNbHf0.5Mo0.5的吸氢行为，合金中的氢含量随着合金置氢分压的升高而升高，且氢元素在合金中以原子形态存在并且分布均匀；置氢明显降低难熔高熵合金的氧含量，氧含量降低的主要原因是氢与氧结合形成水蒸气，使合金内的氧含量得到降低；置氢和未置氢的难熔高熵合金均由单一无序的BCC相组成，置氢和未置氢的难熔高熵合金都是由BCC相组成，置氢不改变高熵合金的相组成和晶体结构。置氢使难熔高熵合金的成分分布更加均匀，并对枝晶起到细化的作用。研究发现液态置氢能够显著提升难熔高熵合金的塑韧性，可以通过液态置氢工艺可以获得高强度和高塑韧性结合的高性能难熔高熵合金；置氢会降低难熔高熵合金的屈服强度，但是可以通过固溶强化微量提升难熔高熵合金的峰值强度。液态置氢会小幅度降低难熔高熵合金的硬度。置氢可以提高TiZrNbHf0.5Mo0.5难熔高熵合金热塑性变形后动态再结晶的形成能力。研究了氢致TiZrNbHf0.5Mo0.5难熔高熵合金强韧化机理。在低应变量下变形，裂纹在高密度位错集中区域萌生长大是未置氢合金的断裂失效机理；而置氢降低了合金在塑性变形过程中裂纹的数量和位错密度。冷变形过程中氢原子对过饱和空位的形成的阻碍作用从而延缓空位崩塌是置氢TiZrNbHf0.5Mo0.5难熔高熵合金增塑的内部机理。而在较高应变量下变形时，置氢合金在较大塑性变形量下的变形机理由滑移变形过渡到孪晶变形。氢诱发了孪晶的形成从而使某些原来处于不利取向的滑移系转变到有利于发生滑移的位置，因此提升了塑性变形能力，从而实现了TiZrNbHf0.5Mo0.5难熔高熵合金的强韧化。本项目还研究了脱氢后的合金的组织和性能，以及氢对合金的流动性能和界面反应的影响规律，这些研究都会对促进合金的进一步应用产生积极的作用。.