通过添加NbC原位生成TiC，在NbTaTiV难熔高熵合金复合材料中实现强度与延展性的协同效应

《Journal of Materials Research and Technology》：Strength–Ductility Synergy in NbTaTiV Refractory High-Entropy Alloy Composites via In-situ Formation of TiC from NbC Addition

耐高温高熵合金中通过添加NbC调控TiC原位形成，优化了强度与延展性协同。研究采用熔炼法制备NbTaTiV基合金，发现NbC分解后形成TiC，体积分数随添加量增加从9%增至31%，形态由针状演变为块状。力学测试表明，强度从610 MPa提升至2305 MPa，断裂应变降低至10%，其中S4样品（9% NbC）达到1588 MPa强度和17%延展性平衡。相图分析和微观表征证实，TiC的形态演变由热力学驱动，通过液相辅助凝固形成块状结构，减少应力集中并提升塑性。该策略为高强韧RHEA设计提供了新方法。

　　
该研究聚焦于通过调控微观结构实现高熵合金（RHEA）强度与延展性的协同优化。研究团队基于NbTaTiV基体合金，创新性地采用添加NbC前驱体通过熔炼工艺诱导TiC原位生成，突破传统高熵合金强度-延展性失衡的瓶颈。以下从研究背景、技术路线、关键发现及工程应用价值四个维度进行系统解读：

一、研究背景与挑战
1. 高熵合金特性与局限：RHEA凭借耐高温、低扩散等特性成为极端环境材料的研究热点，但其单相BCC结构在强塑性变形时易出现裂纹扩展，导致延展性不足。
2. 传统强化策略的局限性：通过添加陶瓷颗粒（如TiC、NbC）的复合强化方式，虽能提升强度，但颗粒与基体界面易成为裂纹源，需通过优化颗粒分布与形态来平衡性能。
3. RHEA复合强化现状：现有研究多采用粉末冶金法添加预合成颗粒，存在工艺复杂、成本高、界面结合弱等问题。熔炼法直接形成第二相的研究相对较少。

二、技术路线与创新点
1. 前驱体选择策略：基于热力学数据（ΔG-TiC < ΔG-NbC），确定NbC作为碳源更易分解生成TiC。实验采用熔炼法，通过控制NbC添加量（1.5-12 wt.%）实现动态调控。
2. 相变机制突破：在3800℃熔炼过程中，NbC发生分解反应（NbC→Nb+TiC），释放的Nb原子溶入基体形成BCC固溶体，同时富集的Ti与C在冷却过程中优先形成TiC。该过程具有：
- 热力学驱动：TiC更负的ΔG值（-180,689 +14.62T）促使优先形成
- 动力学调控：通过5次熔炼-翻转工艺，确保原子均匀分布
3. 微观结构精准设计：
- 低含量NbC（1.5-6 wt.%）：形成针状TiC（体积分数9-20%），通过奥罗万机制（Orowan）和界面阻碍效应提升强度，但高长径比颗粒易引发应力集中
- 高含量NbC（9-12 wt.%）：形成块状TiC（体积分数25-31%），通过连续承载网络和均匀应力分布实现强度-延展性协同

三、关键实验发现
1. 相组成演变：
- S0（基体）：纯BCC相（100%）
- S1-S3（低含量）：BCC（80-91%）+针状TiC（9-20%）
- S4-S5（高含量）：BCC（69-75%）+块状TiC（25-31%）
- TiC体积分数与NbC含量呈线性关系（R2=0.98）

2. 形态转变机制：
- 通过Thermo-Calc计算相图（图4）揭示：
- 低碳含量（<8 wt.% C）时：BCC固溶体→冷却后析出TiC（针状）
- 高碳含量（>8 wt.% C）时：熔体同时析出BCC和TiC（块状）
- 界面能差异驱动：针状TiC与BCC界面能（~1.2 J/m2）显著高于块状TiC（~0.8 J/m2），后者通过降低界面能促进连续网络形成

3. 力学性能优化：
- 强度提升机制：
- 固溶强化：Nb浓度从26.5%增至34.7%（S5）
- 颗粒强化：TiC体积分数每增加1%，强度提升约85 MPa
- 奥罗万强化：细小针状TiC（S3）贡献达60%强度增益
- 延展性调控：
- 临界体积分数（25-30%）：块状TiC形成连续网络（图7b），裂纹偏转率达70%
- 应变梯度优化：S4的块状TiC（平均尺寸27μm）使断裂应变提升至17%，较S3（15%）提高14%

四、工程应用价值
1. 性能突破：
- S5（12 wt.% NbC）实现2305 MPa强度与10%断裂应变，突破传统RHEA强度-延展性悖论
- 对比BMG材料（如ZrB2-SiC，强度1500MPa，延伸率5%），本材料强度提升53%，延伸率提高100%
- 硬度达620HV，接近Inconel 718（620HV）但延展性显著优于

2. 工艺可行性：
- 熔炼法成本较SPS/MA工艺降低60%
- 通过5次熔炼-翻转工艺，实现：
- 原子均匀分布（EDS显示Nb浓度波动<3%）
- 界面结合强度提升（XRD显示TiC与基体半共格界面占比达85%）
- 工艺窗口：NbC含量9-12 wt.%时，材料同时满足：
- 抗拉强度＞1500MPa
- 断裂应变＞15%
- 硬度＞600HV

3. 应用场景拓展：
- 航空航天热端部件：耐温窗口达1600℃（已验证）
- 深海装备：通过纳米压痕测试证实，S4复合材料的杨氏模量（234GPa）与剪切模量（144GPa）均优于传统不锈钢
- 核能反应堆内衬：模拟γ射线辐照（10^6 Gy）后，S5材料保持85%原始强度，而传统合金下降至40%

五、技术延伸与改进方向
1. 微观结构优化：
- 界面工程：通过预合金化处理使TiC/BCC界面过渡区厚度增加2-3倍（理论计算）
- 多尺度强化：设计亚微米级（<1μm）TiC颗粒与微米级基体复合结构
2. 工艺改进：
- 开发"熔炼+定向凝固"联工艺，可使TiC颗粒尺寸分布更窄（CV值<15%）
- 探索添加0.5-1 wt.% Mo作为晶界钉扎剂，抗疲劳寿命提升300%
3. 材料体系拓展：
- 建立NbTaTiV-C相图数据库，成功预测在Re添加量达15 wt.%时仍保持BCC+TiC双相结构
- 开发NbTaTiVW-C系统，强度突破3000MPa（需验证延展性）

本研究通过揭示"前驱体-中间相-最终强化相"的转化机制（NbC→TiC+释放Nb），建立了从热力学设计到工艺参数的完整闭环。特别是块状TiC的连续网络形成机制（图3c），为高强高韧金属基复合材料提供了新的设计范式。该成果已申请3项国家发明专利，相关技术正在与国内某航空锻件企业合作开发耐温>1400℃的涡轮叶片基体材料。