[论文解读] Dissolving and Stabilizing Soft WB2 and MoB2 Phases into High-Entropy Borides via Boron-Metals Reactive Sintering to Attain Higher Hardness

Mingde Qin, Joshua Gild+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2019

Advanced materials and composites参考文献 45被引用 8

一句话总结

本研究通过硼-金属反应放电等离子烧结，成功将软质WB2和MoB2相溶解进入高熵硼化物（HEBs），形成致密的单相HEBs，其硬度显著提升。关键发现是，包含较软硼化物的HEBs其硬度远高于仅含硬质二元硼化物的HEBs，揭示了通过高熵稳定化实现意想不到的性能增强。

ABSTRACT

Five single-phase WB2- and MoB2-containing high-entropy borides (HEBs) have been made via reactive spark plasma sintering of elemental boron and metals. A large reactive driving force enables the full dissolution of 10-20 mol. % WB2 to form dense, single-phase HEBs, including (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Mo0.2W0.2)B2, (Ti0.2Ta0.2Cr0.2Mo0.2W0.2)B2, (Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2W0.2)B2, and (Zr0.225Hf0.225Ta0.225Mo0.225W0.1)B2; the successful fabrication of such single-phase WB2-containing HEBs has not been reported before. In the processing science, this result serves perhaps the best example demonstrating that the phase formation in high-entropy ceramics can strongly depend on the kinetic route. A scientifically interesting finding is that HEBs containing softer WB2 and/or MoB2 components are significantly harder than (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2 (with harder binary boride components). This exemplifies that high-entropy ceramics can achieve unexpected properties.

研究动机与目标

• 通过将WB2和MoB2等软质二元硼化物整合进高熵硼化物（HEB）固溶体中，解决其相不稳定性和低硬度的挑战。
• 探究反应烧结是否能够实现高达20 at.% WB2或MoB2在单相HEBs中的完全溶解。
• 研究包含较软硼化物组分的HEBs与仅含硬质二元硼化物的HEBs相比，其力学性能的演变规律。
• 建立高熵陶瓷相形成的动力学路径，强调加工条件的作用。

提出的方法

• 采用反应放电等离子烧结（SPS）从元素硼和过渡金属（Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、W）合成HEBs。
• 利用硼化物生成反应的放热驱动力，实现了10–20 at.% WB2或MoB2在HEB晶格中的完全溶解。
• 通过X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）确认了相纯度和单相形成。
• 采用维氏硬度压痕法测量硬度，并对比不同HEB组成的性能结果。
• 加工路线设计为有利于动力学控制而非热力学平衡，从而稳定亚稳固溶体。
• 系统性地改变成分，制备了五种不同的HEBs，包括（Ti0.2Zr0.2Hf0.2Mo0.2W0.2）B2和（Zr0.225Hf0.225Ta0.225Mo0.225W0.1）B2。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过反应烧结实现软质WB2和MoB2相在高熵硼化物固溶体中的完全溶解？
• RQ2 在反应烧结条件下，WB2和MoB2在高熵硼化物体系中的最大固溶度极限是多少？
• RQ3 与仅含硬质二元硼化物的HEBs相比，引入较软硼化物组分是否能显著提升最终HEBs的硬度？
• RQ4 反应烧结的动力学路径如何影响高熵陶瓷中相的形成与稳定性？
• RQ5 通过引入较软组分，HEBs的力学性能是否可能出乎意料地增强，从而违背传统的硬度趋势？

主要发现

• 成功合成了五种单相HEBs，包括（Ti0.2Zr0.2Hf0.2Mo0.2W0.2）B2、（Ti0.2Ta0.2Cr0.2Mo0.2W0.2）B2、（Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2W0.2）B2，以及（Zr0.225Hf0.225Ta0.225Mo0.225W0.1）B2，其中WB2或MoB2的溶解度最高达20 at.%。
• 首次实现了含WB2的单相HEBs的制备，展示了稳定原本不稳定的软相的新途径。
• 含有较软WB2和/或MoB2组分的HEBs，其硬度显著高于仅含硬质二元硼化物的（Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2）B2。
• 结果表明，高熵陶瓷中的相形成强烈受动力学路径影响，而不仅取决于热力学稳定性。
• 本研究提供了通过高熵稳定化实现性能增强的有力例证，打破了基于组分相硬度的传统预期。
• 反应烧结提供了巨大的反应驱动力，促进了完全溶解和致密微观结构的形成。