锻压技术期刊官网（河南工业大学徐琴副教授）

锻压技术期刊官网（河南工业大学徐琴副教授）【研究亮点】河南工业大学智能制造及成形技术团队现有教授1人，副教授2人，博士生1人，硕士生12人。团队围绕航空航天、武器装备、交通运输、电子通讯、新能源等领域的国家重大需求，以材料成分设计、材料制备加工、组织和缺陷控制为手段，进行钛铝合金、难熔高熵合金、高强高导铝合金等结构功能一体化材料的制备、加工方面的研究工作。在如“Nanoscale”、“Journal of Materials Science & Technology”、“Intermetallics”、“Advanced Engineering Materials”、“China Foundry”、《中国有色金属学报》、《特种铸造及有色合金》等国内外杂志发表高水平论文100余篇。徐琴，河南工业大学机电工程学院副教授、硕士生导师，河南省高等学校青年骨干教师 《特种铸造及有色合金》期刊青年编委。主持国家自然科学基金项目、河南省高等学校

【概述】

制备了B含量不同的(NbMoTiVSi0.2)100-xBx难熔高熵合金铸锭，研究了合金的相组成、微观组织和力学性能。结果表明，添加B后，合金的相组成无变化，均由BCC相和硅化物相组成，且在晶界形成由此两相组成的共晶组织。随B含量增加，合金的树枝晶和共晶组织得到细化，组织形态由树枝晶向近等轴晶转变。随B含量增加，合金的屈服强度从1176MPa提高到2076MPa，极限压缩强度从2091MPa提高到2270MPa，断裂应变由16.47%下降到13.33%。细晶强化和固溶强化共同提高了合金的强度，而晶粒细化引起的塑性提高无法抵消固溶强化导致的塑性降低，因此，合金的塑性随B含量的增加而降低。

【作者简介】

[徐琴]

徐琴，河南工业大学机电工程学院副教授、硕士生导师，河南省高等学校青年骨干教师 《特种铸造及有色合金》期刊青年编委。主持国家自然科学基金项目、河南省高等学校青年骨干教师项目、国家重点实验室开放课题等10余项课题。发表学术论文50余篇，其中1篇以第一作者发表在 Journal of Materials Science & Technology的论文为高被引论文。申请并授权发明专利6项、实用新型专利2项。

研究方向：特种凝固理论与技术、先进材料的组织与性能

研究团队简介及成果

河南工业大学智能制造及成形技术团队现有教授1人，副教授2人，博士生1人，硕士生12人。团队围绕航空航天、武器装备、交通运输、电子通讯、新能源等领域的国家重大需求，以材料成分设计、材料制备加工、组织和缺陷控制为手段，进行钛铝合金、难熔高熵合金、高强高导铝合金等结构功能一体化材料的制备、加工方面的研究工作。在如“Nanoscale”、“Journal of Materials Science & Technology”、“Intermetallics”、“Advanced Engineering Materials”、“China Foundry”、《中国有色金属学报》、《特种铸造及有色合金》等国内外杂志发表高水平论文100余篇。

【研究亮点】

制备不同B含量的NbMoTiVSi0.2合金，研究B对其相组成、微观组织和力学性能的影响规律。

【研究背景】

随着现代航空航天、原子能、军工等领域的快速发展，对材料性能的要求也越来越高。近年来提出了一种新型的性能优异的合金—高熵合金(HEAs)，高熵合金因其热力学的高熵效应、结构的晶格畸变效应、动力学的迟滞扩散效应以及性能的“鸡尾酒”效应，呈现出高硬度、高强度、良好的耐磨、耐腐蚀等优异的性能。其中，由W、Ta、Mo、Nb、V、Zr、Ti等难熔金属元素组成的难熔高熵合金因组成元素多为高熔点元素（通常熔点高于2 000 K），具有优异的高温力学性能，成为新型高温高强合金发展方向。

研究表明，在难熔高熵合金中添加其他金属元素（如Al、Nb、Mo、Sc等）或非金属元素（B、Si、C等）可改善合金的力学性能，有望获得相结构简单、性能优异的合金。B元素因其原子半径较小，在难熔高熵合金中添加微量B可使合金形成间隙固溶体，但是由于B原子在晶界偏聚，使合金的晶界得到强化并抑制晶粒的继续长大，因而可以大幅提升高熵合金的屈服强度。而B的添加量为0.5%～1.0%时，B在高熵合金中形成了大尺寸的沉淀相，此时，B对合金强化作用很小，同时还严重降低了合金的塑性。此外，添加B可细化合金的枝晶组织，改善氧化皮剥落现象，从而大幅提高合金的氧化抗力。

2022年第42卷第03期《特种铸造及有色合金》“高熵合金及复合材料”专题中河南工业大学徐琴副教授发表了题为“B对NbMoTiVSi0.2难熔高熵合金的组织与力学性能的影响”的文章，制备了B含量不同的(NbMoTiVSi0.2)100-xBx难熔高熵合金铸锭，发现添加B后合金的相组成无变化，均由BCC相和硅化物相组成，且在晶界形成由此两相组成的共晶组织。随B含量增加，合金的树枝晶和共晶组织得到细化，组织形态由树枝晶向近等轴晶转变。随B含量增加，合金的屈服强度从1176MPa提高到2076MPa，极限压缩强度从2091MPa提高到2270MPa，断裂应变由16.47%下降到13.33%。细晶强化和固溶强化共同提高了合金的强度，而晶粒细化引起的塑性提高无法抵消固溶强化导致的塑性降低，因此，合金的塑性随B含量的增加而降低。

【研究方法】

采用真空非自耗电弧炉在氩气保护下熔炼得到不同B含量的(NbMoTiVSi0.2)100−xBx难熔高熵合金（B含量分别为0 %，0.1 %，0.2 %，0.3 %和0.4%，分别命名为H0.2Si0B、H0.2Si0.1B、H0.2Si0.2B、H0.2Si0.3B和H0.2Si0.4B）纽扣锭。试验原材料为海绵钛、铌片、钼块、钒块、硅颗粒和B粉末，各原材料的纯度均≥99.98%，不同合金元素的物理性能见表1。为了保证铸锭成分的均匀性，每个铸锭都反复熔炼5次。采用熔炼好的纽扣锭从中心部位切开，在其中一半靠近中心的位置切割为10 mm×10 mm×8 mm的试样，用于相组成测试和组织观察；在另一半上切割3个尺寸为φ4 mm × 6 mm的圆柱试样，用于测试合金的压缩力学性能。用于组织观察的试样首先用160#～1500#金相砂纸依次磨平，然后在抛光机上用金刚石研磨膏抛光，采用Hitachi TM3030型扫描电镜（SEM）观察试样的微观组织。采用扫描电镜自带的EDS能谱仪测试试样不同区域的元素含量。采用X射线衍射仪（XRD Panalytical Empyrean Cu K 20 Kv 8°/min）表征不同合金的物相组成。采用压缩试验测试不同合金的力学性能，包括强度和塑性指标。用于压缩性能测试的试样先用砂纸将表面打磨平整，然后在Instron-5569R型电子万能试验机上进行试验，压缩速度为0.5 mm/min，每种合金测试3次，取平均值。

【图文内容】

图1为不同B含量的NbMoTiVSi0.2难熔高熵合金的X射线衍射图谱及其（110）晶面的放大图。

图1 不同B含量时NbMoTiVSi0.2难熔高熵合金的XRD测试结果

图2 不同B含量时NbMoTiVSi0.2难熔高熵合金的XRD局部放大图

不同B含量的难熔高熵合金均呈现树枝晶组织，且随B含量的增加，合金的一次树枝晶间出现了大量的近等轴晶组织。另外，无论B添加与否，在合金的晶界处均形成了由深灰色共晶 BCC 相和黑色硅化物 M5Si3 相组成的共晶组织。随着B含量的增加，合金的树枝晶组织得到细化，一次枝晶和二次枝晶均变短变细。当合金中没有B时，合金的一次枝晶和二次枝晶平均长度分别约为500 μm和80 μm。当B的添加量为0.3%和0.4%时，合金的主要组织仍为树枝晶组织，但是在枝晶间出现了大量的近等轴晶组织。H0.2Si0.4B合金的一次枝晶平均长度减小到约100 μm，而二次枝晶平均长度减小到约30 μm。另一方面，随着B含量的增加，合金中的共晶组织得到细化，但是硅化物相的体积分数几乎没有变化。

图3不同B含量时NbMoTiVSi0.2难熔高熵合金的显微组织

(a) 0B; (b) 0.1B; (c) 0.2B; (d) 0.3B; (e) 0.4B

图4不同B含量时NbMoTiVSi0.2难熔高熵合金的高倍显微组织

(a) 0B; (b) 0.1B; (c) 0.2B; (d) 0.3B; (e) 0.4B

B均匀分布在合金中，几乎没有产生偏析，Ti、Ti在晶界处形成严重的富集，Nb和Mo在一次BCC相中富集，而V在晶界处形成了轻微的富集，说明Ti在H0.2Si0.1B难熔高熵合金存在严重的偏析，这是由于在形成合金的各金属元素中，Ti的熔点最低且在一次BCC相中的溶解度低，因此，在合金的凝固过程中从一次BCC 相中被排到剩余的液相中，导致Ti的偏析，进而在剩余液相中将会发生Ti和Ti的共晶反应，在H0.2Si0.1B难熔高熵合金的晶界处形成共晶组织。

图5 H0.2Si0.1B合金的元素分布

未添加B时，合金的极限压缩强度为2 091MPa，屈服强度为1 766MPa。添加B后，压缩强度和屈服强度均随B含量的增加而提高。当B含量为0.1% 时，压缩强度达2 185 MPa。当B含量增加到0.4 %时，压缩强度达2 270 MPa。在NbMoTiVSi0.2合金添加为0.4%的B，可使其压缩强度提高近130 MPa。当B含量为0.4%时，合金的屈服强度从1 176 MPa提高到2 076 MPa，增幅达17.6 %。但B的添加会降低合金的断裂应变，当B的添加量由0增加到0.4%时，其断裂应变从16.47%下降到13.33%。

图6 不同B含量时NbMoTiVSi0.2难熔高熵合金的力学性能

(a) 应变-应变曲线 (b) 力学性能

综上，B的添加提高了NbMoTiVSi0.2难熔高熵合金的极限压缩强度和屈服强度，而降低了其断裂应变。B为晶粒细化元素，在该难熔高熵合金中添加B后，合金的宏观组织和微观组织均得到了细化，甚至合金的枝晶间出现了近等轴晶组织，根据Hall-Petch效应，合金的强度和塑性均得到提高。另一方面，B为间隙固溶元素，且B在NbMoTiVSi0.2难熔高熵合金中均匀分布，而NbMoTiVSi0.2难熔高熵合金为易形成间隙固溶体的合金，在合金中添加B后对合金形成了固溶强化。由于细晶强化和固溶强化的共同作用，NbMoTiVSi0.2难熔高熵合金的强度得到了提高。此外，晶粒细化引起的塑性提高无法抵消固溶强化导致的塑性降低，因此，NbMoTiVSi0.2难熔高熵合金的断裂韧性有小幅下降。

【结论】

（1）添加B后，NbMoTiVSi0.2合金的组成相保持不变，仍由硅化物相（M5Si3，M=Nb、Mo、Ti 和V）和BCC相组成，且在晶界处形成由BCC相和硅化物相组成的共晶组织。

（2）随B含量的增加，NbMoTiVSi0.2合金的树枝晶和共晶组织得到细化，组织形态由树枝晶向近等轴晶转变。

（3）压缩试验表明，随B含量增加，NbMoTiVSi0.2合金的屈服强度从1 176 MPa提高到2 076 MPa，压缩强度从2 091 MPa提高到2 270 MPa，断裂应变由16.47%下降到13.33%。

【文献引用】

中文：徐琴，王琪，李娟，等.B对NbMoTiVSi0.2难熔高熵合金组织与力学性能的影响[J].特种铸造及有色合金，2022，42(3):292-296.

英文：XU Q WANG Q，Ll J et al. Effects of boron on the microstructure and mechanical properties of NbMoTiVSi0.2 refractory high entropy alloys[J].Special Casting &. Nonferrous Alloys，2022，42(3):292-296.