摘要
难熔高熵合金具有优异的结构稳定性和高温性能在航空航天、石油化工、金属冶炼、核反应堆等领域应用前景广阔。难熔高熵合金在高温下通常表现出优于镍基高温合金的综合性能，特别是WMoNbTa与WMoNbTaV合金，抗高温软化能力强，有望取代镍基高温合金，成为下一代高温结构材料。但是，由于WMoNbTa与WMoNbTaV难熔高熵合金在室温下的塑性很低(低于2%)，提高其低温塑性对于难熔高熵合金的推广与应用具有重要意义。 本文通过合理的成分设计和制备工艺改善合金性能。以W、Mo、Nb、Ta、V和ZrO2为原料，采用球磨混合与放电等离子烧结法，制备出ZrO2强化难熔高熵合金块体材料。研究不同ZrO2含量对WMoNbTa与WMoNbTaV难熔高熵合金初始粉末与块体的相组成、晶粒尺寸以及组织形貌的影响，讨论组织与难熔高熵合金物理性能、室温和高温力学性能的关系。 研究粉末冶金制备过程中，ZrO2对难熔高熵合金的相组成与组织形貌的影响。WMoNbTa与WMoNbTaV难熔高熵合金的初始混合粉体由各独立组元元素衍射峰组成，经过烧结后，由于各元素之间相互扩散与溶解获得了单相BCC结构的WMoNbTa与WMoNbTaV难熔高熵合金，ZrO2添加量对合金的相组成无影响。ZrO2呈棒状或椭球状，主要分布在合金晶粒内部，少部分分布在晶界处，纳米级ZrO2颗粒可与基体形成半共格界面结构。ZrO2能显著细化难熔高熵合金的晶粒，添加1%质量分数的ZrO2使WMoNbTa的平均晶粒尺寸由5.9μm减少至3.6μm。添加1%质量分数的ZrO2使WMoNbTaV的平均晶粒尺寸由5.01μm减少至3.43μm。 系统研究了ZrO2对难熔高熵合金物理性能、力学性能以及室温断口的影响。随着ZrO2含量的增加，两种合金的相对密度均增大。当ZrO2质量分数为1.0%时，WMoNbTa和WMoNbTaV合金的相对密度分别达到98.7%和99.7%。ZrO2使难熔高熵合金显微硬度提高，原因为ZrO2颗粒细化了合金晶粒，使晶界数目增多，可以有效阻碍位错迁移。与传统的铸造难熔高熵合金相比，本文的难熔高熵合金室温压缩性能显著提高。本文的WMoNbTa-1ZrO2合金的压缩屈服强度、抗压强度、断裂应变比传统铸造WMoNbTa合金分别提高了67.8%、74.9%和376.9%；而WMoNbTaV-1ZrO2的压缩屈服强度、抗压强度、断裂应变分别比铸态WMoNbTaV高74.2%、93.8%和647.1%。合金的压缩断口均为脆性断裂，ZrO2颗粒分布在合金的晶粒内和晶界处，起到减缓断裂过程中裂纹扩展的作用。难熔高熵合金优异的力学性能主要归功于纳米级ZrO2细化晶粒的作用。 研究ZrO2颗粒对WMoNbTaV合金高温力学性能的影响，添加ZrO2可以显著提高WMoNbTaV难熔高熵合金的高温强度，其抗压强度随着ZrO2含量的增加而增大，当ZrO2的含量为1%质量分数时对WMoNbTaV合金高温压缩性能改善最为显著，温度从1200℃到1600℃，合金的抗压强度从882.16MPa降至222.85MPa。WMoNbTaV-1ZrO2合金经1200℃~1400℃热变形后发生剪切断裂。1200℃下合金断口可以观察到明显的解理台阶以及河流花样，合金以穿晶断裂为主。1400℃下合金的高温断口主要为脆性沿晶断口，高温下晶界结合力降低，裂纹更容易沿晶界拓展。
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