导读：本文报道了等原子NbVZr合金的显微组织和力学性能。激光加工和铸态样品均显示出树枝状BCC固溶体，在枝晶间区域具有六方C14和立方C15 Laves相。发现Nb可提高C14和C15相的稳定性。Laves相通过充当位错运动的障碍来增强材料，纳米压痕和变形样品的TEM观察证明了这一点。在拉夫斯地区观察到了高浓度的叠层断层，这证实了第一性原理计算所预测的低叠层断层能量，并有望带来额外的可塑性。这项工作是使用高通量合成技术对耐火复杂浓合金中金属间相的稳定性进行系统研究的一个实例。这些相在合金的整体机械性能中起重要作用。
复杂浓缩合金（CCAs）是固溶合金，具有相等或几乎相等浓度的合金元素，并且缺乏主要的溶剂种类。它们提供了广阔的构成空间，可以发现新颖的特性甚至具有禁忌特性的设计材料。一类特殊的CCA是难熔复合浓缩合金，它们是高温结构应用中有吸引力的材料，因为它们表现出非典型的性能组合，包括高熔点，高强度，延展性，韧性和低密度。RCCA经常包含高浓度（通常相等）的三种或更多种难熔金属（IV-VI族过渡金属），并偶尔添加诸如Al的非难熔金属。报告的大部分RCCA都显示出单相BCC固溶体，这是难熔金属的BCC晶体结构及其在等原子浓度下具有最大构型熵的增加的溶解度的结果。最近，具有二级金属间相的RCCA（例如Laves和B2结构）引起了人们的关。
与传统的BCC金属和合金相似，RCCA中的主要BCC固溶体导致强度高，但在室温下缺乏延展性。为了提高RCCA的延展性，已经尝试使至少五个主要元素合金化，这增加了混合的构型熵并且防止了具有脆性金属间沉淀物的多相RCCA的形成。由于热稳定的纳米级的析出物的存在下提供优异的屈服强度高达1000℃。受镍超合金（γ-FCC和γ'-L1 2 析出物）的微观结构的启发，Miracle和同事提出了设计具有强度和延展性的良好结合的二次颗粒强化RCCA的方法。但是，缺乏针对金属间相的稳定性以及它们如何影响整体机械性能的研究。上述工作强调需要确定可能在RCCA中沉淀的竞争金属间相，稳定金属间化合物的因素及其机械性能。
在此，华盛顿大学李牧等人开发了等摩尔的NbVZr RCCA（构成了多个RCCA的基础），并将其用作研究上述问题的原型系统。NbVZr三元合金表现出由BCC固溶体组成的树枝状微结构，在树枝状间区域形成两个Laves结构。与很大程度上预测单个BCC固溶体形成的半经验法则相反。我们发现次级Laves相通过充当位错运动的障碍来加强BCC相。此外，由于拉夫斯相的低层错能（SFE）低，我们在拉夫斯相中发现了大量的层错，在变形过程中引入了额外的可塑性。最后，我们应用激光加工来重新熔化和快速淬火材料，并与铸态和退火态的微观结构及其机械性能保持显着一致性。这项工作证明了激光加工作为用于更复杂的RCCA的高通量筛选技术的可行性，并为该系统中激光增材制造方法的应用提供了指导。相关研究成果以题“Microstructure and Properties of NbVZr Refractory Complex Concentrated Alloys”发表在金属顶刊Acta materialia上论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421002998
图1。（a）激光处理，（b）铸态和（c）退火NbVZr合金的反向散射电子图像。
图3。激光加工的等原子NbVZr合金的显微组织。（a）背散射电子图像。（b）使用EBSD构建的相图表明，树突相为BCC，而C14（六角Laves）相则主要位于树突间区域。C15相（三次Laves）被限制在BCC和C14之间的相界处。（c）极图图，显示了相内的均匀方向。（b）和（c）中的黑点是未索引的EBSD测量值
三组分体系的结构熵不足以稳定单相BCC固溶体。除了树突状BCC相，在树突间区域还观察到两个Laves相：一个连续的六角C14相和一个孤立的立方C15相区域。第一性原理计算表明，添加Nb可提高C14和C15相的稳定性。纳米压痕测量和TEM观察表明，拉维斯相增强了材料，当位错堆积在较软的BCC树枝状晶体和C14 / C15树枝状晶体区域之间的相界边界处时，导致在Laves相中产生堆垛层错。
图4。原子分辨率HAADF图像，显示（a）BCC和（b）C14 / C15 Laves相。（b）中的白色实线表示堆垛层错，黄色虚线表示C15中的孪生断层。读者可参考图10的缺陷结构的细节。（a）和（b）中的比例尺对应于1 nm。（c）具有晶体结构取向与其相应的HAADF图像一致的BCC相和C14 / C15 Laves相的代表性原子模型。
图5。（a）HAADF调查图像，其中选择用于EELS数据采集的区域用白色框突出显示。（b）同时获取（a）中突出显示的区域的HAADF图像。在EELS采集期间启用了16×16子像素扫描。（a）和（b）中的比例尺对应于100 nm。（c）归一化的V，Zr和Nb L 2,3边缘图。（d）从（b）中用相应颜色突出显示的区域中提取的V，Zr和Nb的EEL光谱。
根据第一性原理计算，发现SFE的范围为（（3个单元块堆叠故障）的0.038 eV / atom到（1个单元块堆叠故障）的0.067 eV / atom的范围。这种合金系统可以作为研究随机固溶体与金属间化合物之间竞争以及不同的Laves相竞争及其对力学影响的原型。
图7。动态模量映射。（a）在5×5微米2 SPM图像，示出了枝晶组织; （b）在相同位置测量相应的储能模量图；（c）总体储能模量直方图，以及树突（红色）和树突间区域（蓝色）的分布，假设数据可以由两个高斯分布拟合。
图10。示意性地描述了在HAADF图像的高亮区域（左）中观察到的原子结构。有关拉丁文，希腊文和脚本字母的含义，请参见相应的文本。两条实线（用①和③表示）表示两个划分不同晶体结构的堆叠缺陷（C14为橙色/黄色，C15为蓝色/绿色）。虚线（用②表示）表示C15中存在双胞胎故障。