1. 简介

迄今为止，报道的兼具高强度与高塑性的难熔高熵合金（RHEAs）均具有高达1 GPa的应变硬化率（SHR）。保持SHR超过1 GPa可推迟塑性失稳点，从而延长均匀拉伸塑性（UTD）。

本文通过激光定向能量沉积（L-DED）成功制备了兼具高强度和塑性的Hf₁₀Nb₁₂Ti₄₀V₃₈ RHEA。该合金的屈服强度约为1011 MPa，拉伸塑性为~12.6%。有趣的是，其SHR极低（远低于1 GPa），且应力-应变曲线未出现早期断裂，反而呈现平坦的“平台型”特征。针对这一现象，我们通过系统研究变形微观结构揭示了Hf₁₀Nb₁₂Ti₄₀V₃₈合金的变形机制。结果表明，尽管位错模式多样化，但位错通道交叉产生的有限缠结是SHR的主要来源。单一位错通道和交滑移等位错构型虽对SHR无积极贡献，但可协调塑性变形。此外，扭折带作为应变软化机制，在降低SHR的同时提升了塑性。多组位错通道相互作用与扭折带被明确为调控应变硬化和软化的两种主导机制，二者的竞争导致了上述现象。本研究不仅为Hf₁₀Nb₁₂Ti₄₀V₃₈ RHEA的独特变形行为提供了新见解，也补充了当前关于RHEAs中SHR与塑性关系的普遍认知。

2. 文章亮点

1. 低应变硬化率下的高强度与高塑性协同
通过激光定向能量沉积（L-DED）制备的Hf₁₀Nb₁₂Ti₄₀V₃₈难熔高熵合金，在应变硬化率（SHR）仅为500 MPa的条件下，实现了约1011 MPa的屈服强度和12.6%的拉伸塑性，突破了传统RHEAs需高SHR（≥1 GPa）才能避免早期断裂的认知。

2. 位错通道与扭折带的竞争机制
研究发现，多组位错通道的交叉缠结（应变硬化）与扭折带（应变软化）的竞争主导了变形行为。扭折带通过协调塑性变形和应力松弛显著提升塑性，而位错通道的有限缠结贡献了低但持续的SHR，揭示了新型变形机制。

3. 纳米级局部化学涨落调控变形
合金中广泛分布的纳米级局部化学涨落（LCFs）通过改变位错滑移能垒，促进交滑移和位错通道形成，既降低了SHR，又通过分散应变和缓解应力集中提升了塑性，为成分设计提供了新思路。

3. 研究背景

高熵合金（HEAs）由多种主元元素组成，其成分设计不受传统限制，因而能通过成分灵活性探索优于传统合金的力学性能。在HEAs中，体心立方（bcc）结构的难熔高熵合金（RHEAs）展现出高强度特性，部分合金的强度甚至超过1 GPa。然而，其在室温下的低拉伸塑性（甚至无塑性）严重阻碍了加工性能并限制了工程应用。迄今为止，研究者提出了多种方法以突破强度-塑性的权衡关系。在保证RHEAs强度的前提下，其室温塑性问题正逐步得到解决。例如，在HfNbTiV RHEA中引入异质结构可改变位错滑移模式，从而促进应变硬化并同步提升强度与塑性；Ti-Zr-V-Nb-Al bcc HEA中的局部化学有序（LCO）可引发动态硬化，充足的加工硬化率（WHR）有效提升了塑性；而Al₁₀HfNbTiV RHEA中层级化学涨落（HCFs）的形成会诱发多次异常应变硬化率跃升，最终实现高强度与大塑性的协同组合。

上述兼具强度与塑性的难熔高熵合金均有一个共同特征：高应变硬化率（SHR）。其SHR普遍达到或超过1 GPa。应变硬化率Θ（SHR, Θ = dσₜ/dεₜ）为真实应力-应变曲线的斜率，通常决定合金的塑性（尤其是均匀拉伸塑性，UTD）。SHR与真实应力（σₜ）的交点对应塑性失稳点，此后发生颈缩。低SHR会导致早期塑性失稳，一旦出现颈缩等局部流动，应变将无法均匀分布至整个样品，转而引发严重损伤，进而导致应力集中、UTD下降及断裂失效。反之，高SHR可推迟塑性失稳点，从而延长UTD并解决“强度-塑性矛盾”。

如何界定低SHR与高SHR的阈值？多数研究认为高SHR应至少高于1 GPa，部分甚至需超过2 GPa。《自然》曾报道，保持RHEAs的SHR持续高于1 GPa可实现屈服强度与UTD的良好协同。例如，Al₁₀HfNbTiV合金在均匀塑性阶段的SHR达1300 MPa，因而兼具高屈服强度（1390 MPa）与断裂应变（20%）。而AlHfNbTiTa的SHR低于1000 MPa时，其拉伸塑性仅约3%；Al₅HfNbTiTa合金的SHR同样不足1000 MPa，断裂应变甚至低于2.5%。

目前多数RHEAs通过真空电弧熔炼（VAM）制备。由于难熔元素熔点极高且各元素熔点差异显著，VAM铸锭需反复熔炼至少五次以确保成分均匀性，但此举仍易导致宏观偏析。激光定向能量沉积（L-DED）技术利用激光束的高能量密度快速熔化高熔点元素，其超快冷却速率可最小化成分偏析。Li等对比L-DED与VAM制备的NbMoTa合金，发现前者微观偏析更轻微；Su等证实L-DED AlMo₀.₅NbTa₀.₅TiZr合金不仅具有与VAM合金相当的高温强度，还能避免宏观偏析并获得更高显微硬度。综上，L-DED是快速、低成本制备RHEAs的理想替代方案。

本研究通过L-DED成功制备出兼具高强度与塑性的Hf₁₀Nb₁₂Ti₄₀V₃₈ RHEA。该合金在SHR仅约500 MPa的条件下仍表现出优异力学性能（屈服强度~1011 MPa，塑性~12.6%）。其独特之处在于：低SHR下仍保持高塑性，这与当前RHEAs领域普遍认可的高SHR效应相矛盾。类似现象在β-钛基合金等材料中亦有发现[30]，研究者曾提出“巨型层错”、应力诱导ω相、微带等变形理论，但这些机制并不完全适用于RHEAs。因此，揭示此类异常塑性变形的内在机制至关重要。本研究旨在阐明新型RHEA的拉伸性能及其变形机制，为后续合金设计提供理论指导。

4. 图文解析

5. 文章结论

总之，本研究通过激光定向能量沉积（L-DED）成功制备了兼具高拉伸强度与塑性的Hf₁₀Nb₁₂Ti₄₀V₃₈（Hf10）难熔高熵合金（RHEA）。Hf10合金在低应变硬化率（SHR）下仍表现出优异的塑性，这与通常低SHR下易断裂的RHEAs形成鲜明对比。基于这一现象，我们系统研究了Hf10合金的微观结构及其在室温单轴拉伸过程中的变形特征，主要结论如下。

L-DED制备的Hf10合金为单一BCC固溶体，其微观结构由长而宽的柱状晶组成，这主要归因于L-DED过程中高达10²–10³ K/s的冷却速率和朝向基底的定向热传导。快速凝固和循环热处理促进了Hf10合金的化学成分均匀化，且未发现宏观偏析现象。

Hf10合金的屈服强度约为1011 MPa，断裂应变达12.6%。尽管其SHR仅为500 MPa，但应力-应变曲线呈现平坦的“平台型”特征，表现出低SHR与高塑性的独特组合。

单一位错通道降低了位错相遇概率，本质上是一种软化机制。而作为加工硬化主要来源的位错缠结在变形后期才出现且数量有限，这些因素共同导致Hf10合金的低应变硬化率。

Hf10合金的优异塑性源于交滑移和扭折带的作用。高频率交滑移促进了位错重组，从而协调塑性变形；扭折带则通过容纳位错滑移和缓解应力集中显著提升塑性。

本研究不仅为L-DED制备的RHEAs中强度-塑性协同效应提供了新见解，还为改善合金加工硬化率提出了创新思路。此外，本文补充了当前关于RHEAs中SHR与塑性关系的普遍认知。未来，通过合金设计、工艺参数优化和后续热处理的协同调控实现强度-塑性协同提升，将成为RHEAs研究的核心方向。该成果对开发超强高塑性BCC难熔高熵合金具有重要指导意义。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.147247