高熵合金是本世纪初提出的一种全新的合金设计理念,其成分特点是合金多组元且所有组成元素的比例相等或相近。高熵合金独特的成分特点使其拥有高混合熵效应,并且衍生出微观组织稳定性高和缓慢扩散等独特性能。借鉴高熵合金设计理念,由高熔点元素组成的难熔高熵合金有望提高合金的使用温度,因而受到研究者的广泛关注。目前难熔高熵合金的研究尚处于起步阶段,大量科学问题亟待解决。首先,己有的难熔高熵合金大量使用昂贵且密度高的元素,使其成本高昂且密度高,非常不利于工业应用;其次,使用计算模拟手段准确预测难熔高熵合金热物性,并阐明合金相形成规律与力学性能的关联的相关研究还相当匮乏;最后,现有的难熔高熵合金大多不具备拉伸塑性,开发具有拉伸塑性的难熔高熵合金并研究其强韧化方法与机理对未来难熔高熵合金的发展具有重要意义。本文以Ti-Zr-Nb系高熵合金为对象,系统研究合金的组织结构与强化机理。通过建立可靠的随机固溶体模型,利用第一性原理计算合金的相结构、热力学和弹性性质,为新型难熔高熵合金的设计与开发提供理论指导。制备具有高比强度的Ti-Zr-Nb-Mo-V高熵合金系与具有高强度高拉伸塑性的Ti-Zr-Nb-Hf高熵合金系,并对其强化与韧塑化机理展开研究。研究工作主要包括以下内容:本文构建了包含16个原子的特殊准随机结构模型(specialquasirandom structures,SQS),该模型可以很好地模拟四元随机固溶体结构。使用声子法计算了 TaNbMoW和TiZrNbHf四元系高熵合金的热力学性质和弹性性能。计算得到的TiZrNbHf难熔高熵合金的泊松比为0.315,表明该合金具有优异的塑性。铸态的TiZrNbHf高熵合金具有879 MPa的屈服强度和16.5%的拉伸塑性,验证了计算结果的有效性。原位拉伸同步辐射实验结果表明,合金变形过程中没有相变发生,且实验测得的弹性模量与第一性原理计算结果吻合地很好。系统研究了 Mo和V元素合金化对TiZrNbMoV合金系组织结构和压缩性能的影响规律。Mo对合金系的强化效果非常显著,但过量的Mo添加会导致合金组织转变并且降低合金的热稳定性。适量Mo和V的组合可以同时得到优异的比强度和压缩塑性,其中TiZrNbMoV合金具有最高的屈服强度1800 MPa,而TiZrNbMo0.3V0.3具有最优异的综合性能,屈服强度为1312MPa,塑性变形量大于50%。TiZrNbMo0.3V0.3合金的比强度达到了 198MPa·m3/kg,该合金在实现了难熔高熵合金轻量化的同时,还实现了合金的塑韧化。在TiZrNbHf难熔高熵合金的基础上引入O元素进行强化,实现了在不降低塑性的前提下显著提高合金的强度,其中O含量为2.0 at.%的合金表现出高达36500 MPa%的强塑积,超过绝大多数传统合金和己有的难熔高熵合金。原位拉伸同步辐射实验表明,在变形过程中,合金未发生相变,高的强塑积是由O原子的间隙强化造成的。此外,探索了 O对该体系高熵合金晶粒生长动力力学的影响,多主元混合使TiZrNbHf高熵合金的晶粒生长系数低于BCC结构的纯金属,而O的添加进一步了降低合金的晶粒生长速率。对中温热稳定性的研究发现,O的添加会在合金基体中析出HCP相,导致合金塑性下降。系统研究了 A1合金化对TiZrNbHf难熔高熵合金组织结构和力学性能的影响。经过80%冷轧并且在1273 K固溶处理0.5 h,A1添加到12%的合金均形成了单相BCC组织。经过873 K时效100h后,A1含量低于7%的合金保持单相BCC组织,而A1含量高于7%时,在BCC基体上析出富含(Al,Zr,Hf)的六方相。AIMD模拟的结果表明:Al的含量升高会导致合金液态结构中形成Al-Zr短程序,同时降低合金中A1和Zr的扩散系数,从而导致了凝固过程中化合物形成的趋势升高。Al的添加在显著提高合金强度的同时会降低合金的塑性。合金系的屈服强度随着A1的含量线性增大。Al含量低于7%时合金的延伸率缓慢下降,高于7%时急剧下降。在TiZrNbHfAl系高熵合金中原子尺寸效应和(s+d)电子数差均对固溶强化起到重要作用。含7%的合金在塑性变形过程中只形成了位错胞,而不含A1和含5%Al的合金则形成了位错显微带组织,这种位错结构使合金具有更高的塑性变形能力。含5%Al的合金表现出优异的强塑积,并且在873 K下依然保持优异的热稳定性,为未来开发作为高温结构材料的难熔高熵合金提供了一个优秀的原型合金。