高熵TiZrHf（0.5Nb+0.5CoNiCu）非晶合金以及非晶合金加B2合金的形成能力、热/机械性能及氢渗透性

《Journal of Materiomics》：Formation ability, thermal/mechanical properties and hydrogen permeability of high entropy TiZrHf 0.5Nb 0.5CoNiCu amorphous and amorphous plus B2 alloys

高熵TiZrHf0.5Nb0.5CoNiCu合金熔体旋溅制备，薄样品（<80μm）为非晶态，厚样品（102μm）形成非晶+B2混合相。B2相在高温下细化至20-30nm（体积分数60-70%），显著提升强度（屈服950MPa，抗拉1523MPa）及应变硬化能力，其机制源于应变诱导析出B19'、B2及非晶基体析出。氢渗透率达7.0×10^-9 mol·m?1·s?1·Pa?1/2（673K），与商用Pd-Ag合金相当，为兼具高氢渗透性与优异力学性能的实际应用材料提供新途径。

　　高熵合金因其独特的成分和结构特性，在材料科学领域引起了广泛关注。近年来，研究者们致力于开发具有优异机械性能、高热稳定性和良好氢渗透能力的高熵非晶态和非晶态与B2相混合的合金。这些合金在能源、环保和工业应用中展现出巨大的潜力。本文聚焦于一种高熵TiZrHf_0.5Nb_0.5CoNiCu合金，通过熔体急冷技术制备出不同厚度的非晶态带，探索其结构演变、热稳定性、结晶行为以及氢渗透特性。

通过实验研究发现，不同厚度的非晶态带表现出不同的相组成。当带的厚度小于80微米时，其结构主要由非晶态相构成，而当厚度增加至102微米时，结构则转变为非晶态与B2相混合的形态。B2相在该合金中呈现出球形结构，其直径和体积分数分别为0.5–5微米和约5%。值得注意的是，非晶态相与B2相在成分上并无明显差异，这表明在合金形成过程中，元素分布相对均匀。然而，B2相的析出行为在非晶态带中表现出显著的特征，例如其析出颗粒尺寸非常细小，约为20–30纳米，体积分数高达60–70%。

研究还发现，非晶态与B2相混合的合金在力学性能方面表现出优异的特性。例如，102微米厚的非晶态与B2相混合带在拉伸试验中展现出高达950 MPa的屈服强度和1523 MPa的断裂强度，其塑性延伸率仅为1.64%。这一结果表明，该混合相合金在变形过程中发生了显著的应变硬化效应。应变硬化效应的产生似乎与应变诱导的B19′相析出有关，特别是在B2相内部以及非晶态基体与B2相之间的界面处。这种析出行为不仅增强了合金的强度，还改善了其在变形过程中的稳定性。

在氢渗透性能方面，32微米厚的非晶态合金在673 K温度下展现出高达7.00×10^?9 mol m^?1 s^?1 Pa^?1/2的氢渗透率，这一数值与商业化的Pd–Ag合金在相同厚度下的氢渗透率相当。Pd–Ag合金作为传统的氢渗透材料，其在许多工程领域中得到了广泛应用。然而，随着高熵合金研究的深入，研究人员发现这些合金在氢渗透能力方面同样表现出色，特别是在满足特定性能需求的情况下，如高强度、高热稳定性和良好的塑性。

为了进一步提高非晶态合金的性能，本文研究了不同厚度的非晶态带在热稳定性和结晶行为方面的差异。实验结果表明，当非晶态带的厚度增加时，其热稳定性也随之提高，同时在结晶过程中，B2相的析出行为变得更加显著。这一现象可能与合金在冷却过程中所经历的热力学条件有关，例如在超冷液相和非晶态固相之间，B2相的成核和生长速率存在显著差异。这种差异不仅影响了合金的微观结构，还对整体性能产生了深远的影响。

此外，研究还发现，非晶态合金的形成能力与热稳定性密切相关。通过选择合适的元素组合，研究人员成功地提高了非晶态合金的形成能力，使其能够在较宽的温度范围内保持非晶态结构。这一成果为未来开发高性能的非晶态合金提供了理论支持和实践依据。同时，研究还表明，非晶态合金的机械性能和氢渗透能力可以通过调整合金的成分和制备工艺进行优化，从而满足不同应用场景的需求。

本文的研究不仅关注于非晶态合金的结构特性，还深入探讨了其在氢渗透方面的表现。通过实验对比，研究人员发现，尽管非晶态合金的氢渗透系数相对较低，但其在薄带中的氢渗透率却能够达到较高水平。这一现象可能与非晶态合金的微观结构有关，例如其高密度的原子排列和良好的界面特性，使得氢分子能够更有效地通过合金。此外，研究还表明，非晶态合金的氢渗透能力与其热稳定性密切相关，这为未来开发高性能的氢渗透材料提供了新的思路。

综上所述，本文的研究成果表明，高熵非晶态和非晶态与B2相混合的合金在多个方面展现出优异的性能。这些合金不仅具有高强度和良好的塑性，还表现出较高的氢渗透能力，使其在能源和环保领域具有广泛的应用前景。通过进一步优化合金的成分和制备工艺，研究人员有望开发出更加高效、稳定和经济的氢渗透材料，从而推动相关技术的发展和应用。