Transition metal borides have a unique combination of high melting point and high chemical stability and are suitable for high temperature applications (>2000 °C). A metastable dual-phase boride (Ti0.25V0.25Zr0.25Hf0.25)B2 with distinct two hexagonal phases and with an intermediate entropy formation ability of 87.9 (eV/atom)−1 as calculated via the density functional theory (DFT) was consolidated by pulsed current sintering. Thermal annealing of the sintered dual-phase boride at 1500 °C promoted the diffusion of metallic elements between the two boride phases leading to chemical homogenization and resulted in the stabilization of a single-phase high-entropy boride. Scanning electron microscopy, in situ high temperature x-ray diffraction, and simultaneous thermal analysis of the as-sintered and annealed high-entropy borides showed the homogenization of a dual-phase to a single-phase. The experimentally obtained single-phase structure was verified by DFT calculations using special quasirandom structures, which were further used for theoretical investigations of lattice distortions and mechanical properties. Experimentally measured mechanical properties of the single-phase boride showed improved mechanical properties with a hardness of 33.2 ± 2.1 GPa, an elastic modulus of 466.0 ± 5.9 GPa, and a fracture toughness of 4.1 ± 0.6 MPa m1/2.

1.
W. G.
Fahrenholtz
,
E. J.
Wuchina
,
W. E.
Lee
, and
Y.
Zhou
,
Ultra-High Temperature Ceramics: Materials for Extreme Environment Applications
(
Wiley
,
2014
).
2.
W. G.
Fahrenholtz
,
G. E.
Hilmas
,
I. G.
Talmy
, and
J. A.
Zaykoski
,
J. Am. Ceram. Soc.
90
,
1347
(
2007
).
3.
Y.
Zhang
,
W. M.
Guo
,
Z.
Bin Jiang
,
Q. Q.
Zhu
,
S. K.
Sun
,
Y.
You
,
K.
Plucknett
, and
H. T.
Lin
,
Scr. Mater.
164
,
135
(
2019
).
4.
J. W.
Yeh
,
Ann. Chim. Sci. Des Mater.
31
,
633
(
2006
).
5.
P. H.
Mayrofer
,
A.
Kirnbauer
,
P.
Ertelthaler
, and
C. M.
Koller
,
Scr. Mater.
149
,
93
(
2018
).
6.
G.
Tallarita
,
R.
Licheri
,
S.
Garroni
,
R.
Orrù
, and
G.
Cao
,
Scr. Mater.
158
,
100
(
2019
).
7.
P.
Sarker
,
T.
Harrington
,
C.
Toher
,
C.
Oses
,
M.
Samiee
,
J. P.
Maria
,
D. W.
Brenner
,
K. S.
Vecchio
, and
S.
Curtarolo
,
Nat. Commun.
9
,
4980
(
2018
).
8.
Y.
Yang
,
L.
Ma
,
G. Y.
Gan
,
W.
Wang
, and
B. Y.
Tang
,
J. Alloys Compd.
788
,
1076
(
2019
).
9.
J.
Guan
,
D.
Li
,
Z.
Yang
,
B.
Wang
,
D.
Cai
,
X.
Duan
,
P.
He
,
D.
Jia
, and
Y.
Zhou
,
Ceram. Int.
46
,
26581
(
2020
).
10.
M.
Qin
,
J.
Gild
,
C.
Hu
,
H.
Wang
,
M. S.
Bin Hoque
,
J. L.
Braun
,
T. J.
Harrington
,
P. E.
Hopkins
,
K. S.
Vecchio
, and
J.
Luo
,
J. Eur. Ceram. Soc.
40
,
5037
(
2020
).
11.
Q. F.
He
,
Y. F.
Ye
, and
Y.
Yang
,
J. Appl. Phys.
120
,
154902
(
2016
).
12.
C. G.
Bergeron
and
S. H.
Risbud
,
Introduction to Phase Equilibria in Ceramics
(
University of Illinois
,
1984
).
13.
S.
Ozawa
,
K.
Kuribayashi
,
S.
Hirosawa
,
S.
Reutzel
, and
D. M.
Herlach
,
J. Appl. Phys.
100
,
123906
(
2006
).
14.
W.
Sun
,
S. T.
Dacek
,
S. P.
Ong
,
G.
Hautier
,
A.
Jain
,
W. D.
Richards
,
A. C.
Gamst
,
K. A.
Persson
, and
G.
Ceder
,
Sci. Adv.
2
,
e1600225
(
2016
).
15.
J.
Gild
,
Y.
Zhang
,
T.
Harrington
,
S.
Jiang
,
T.
Hu
,
M. C.
Quinn
,
W. M.
Mellor
,
N.
Zhou
,
K.
Vecchio
, and
J.
Luo
,
Sci. Rep.
6
,
37946
(
2016
).
16.
J.
Gild
,
A.
Wright
,
K.
Quiambao-Tomko
,
M.
Qin
,
J. A.
Tomko
,
M.
Shafkat bin Hoque
,
J. L.
Braun
,
B.
Bloomfield
,
D.
Martinez
,
T.
Harrington
,
K.
Vecchio
,
P. E.
Hopkins
, and
J.
Luo
,
Ceram. Int.
46
,
6906
(
2020
).
17.
Y.
Zhang
,
Z.
Bin Jiang
,
S. K.
Sun
,
W. M.
Guo
,
Q. S.
Chen
,
J. X.
Qiu
,
K.
Plucknett
, and
H. T.
Lin
,
J. Eur. Ceram. Soc.
39
,
3920
(
2019
).
18.
F.
Monteverde
and
F.
Saraga
,
J. Alloys Compd.
824
,
153930
(
2020
).
19.
P.
Wang
,
R.
Kumar
,
E. M.
Sankaran
,
X.
Qi
,
X.
Zhang
,
D.
Popov
,
A. L.
Cornelius
,
B.
Li
,
Y.
Zhao
, and
L.
Wang
,
Inorg. Chem.
57
,
1096
(
2018
).
20.
D.
Hedman
,
A. C.
Feltrin
,
Y.
Miyamoto
, and
F.
Akhtar
, “
Ab initio aided design of novel quaternary, quinary and senary high-entropy borocarbides
,”
J. Mater. Sci.
(to be published).
21.
L.
Feng
,
W. G.
Fahrenholtz
, and
G. E.
Hilmas
,
J. Am. Ceram. Soc.
40
,
3815
(
2020
).
22.
S.
Failla
,
P.
Galizia
,
S.
Fu
,
S.
Grasso
, and
D.
Sciti
,
J. Eur. Ceram. Soc.
40
,
588
(
2020
).
23.
G. R.
Anstis
,
P.
Chantikul
,
B. R.
Lawn
, and
D. B.
Marshall
,
J. Am. Ceram. Soc.
64
,
533
(
1981
).
24.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
25.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
47
,
558
(
1993
).
26.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
50
(
1996
).
27.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
28.
P. E.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
).
29.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
30.
A.
Zunger
,
S. H.
Wei
,
L. G.
Ferreira
, and
J. E.
Bernard
,
Phys. Rev. Lett.
65
,
353
(
1990
).
31.
S. H.
Wei
,
L. G.
Ferreira
,
J. E.
Bernard
, and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
42
,
9622
(
1990
).
32.
M.
Ångqvist
,
W. A.
Muñoz
,
J. M.
Rahm
,
E.
Fransson
,
C.
Durniak
,
P.
Rozyczko
,
T. H.
Rod
, and
P.
Erhart
,
Adv. Theory Simul.
2
,
1900015
(
2019
).
33.
M.
De Jong
,
W.
Chen
,
T.
Angsten
,
A.
Jain
,
R.
Notestine
,
A.
Gamst
,
M.
Sluiter
,
C. K.
Ande
,
S.
Van Der Zwaag
,
J. J.
Plata
,
C.
Toher
,
S.
Curtarolo
,
G.
Ceder
,
K. A.
Persson
, and
M.
Asta
,
Sci. Data
2
,
150009
(
2015
).
34.
X. Q.
Chen
,
H.
Niu
,
D.
Li
, and
Y.
Li
,
Intermetallics
19
,
1275
(
2011
).
35.
A. K.
Niessen
and
F. R.
De Boer
,
J. Less-Common Met.
82
,
75
(
1981
).
36.
J. W.
Yeh
,
S. K.
Chen
,
S. J.
Lin
,
J. Y.
Gan
,
T. S.
Chin
,
T. T.
Shun
,
C. H.
Tsau
, and
S. Y.
Chang
,
Adv. Eng. Mater.
6
,
299
(
2004
).
37.
I.
Moravcik
,
L.
Gouvea
,
J.
Cupeva
, and
I.
Dlouhy
,
J. Alloys Compd.
748
,
979
(
2018
).
38.
A. J.
Wright
and
J.
Luo
,
J. Mater. Sci.
55
,
9812
(
2020
).
39.
T. J.
Harrington
,
J.
Gild
,
P.
Sarker
,
C.
Toher
,
C. M.
Rost
,
O. F.
Dippo
,
C.
McElfresh
,
K.
Kaufmann
,
E.
Marin
,
L.
Borowski
,
P. E.
Hopkins
,
J.
Luo
,
S.
Curtarolo
,
D. W.
Brenner
, and
K. S.
Vecchio
,
Acta Mater.
166
,
271
(
2019
).
40.
H.
Chen
,
H.
Xiang
,
F. Z.
Dai
,
J.
Liu
,
Y.
Lei
,
J.
Zhang
, and
Y.
Zhou
,
J. Mater. Sci. Technol.
35
,
1700
(
2019
).
41.
H.
Huang
,
Y.
Wu
,
J.
He
,
H.
Wang
,
X.
Liu
,
K.
An
,
W.
Wu
, and
Z.
Lu
,
Adv. Mater.
29
,
1701678
(
2017
).
42.
A. J.
Wright
,
Q.
Wang
,
C.
Huang
,
A.
Nieto
,
R.
Chen
, and
J.
Luo
,
J. Eur. Ceram. Soc.
40
,
2120
(
2020
).
43.
B.
Cao
,
T.
Yang
,
W.
Liu
, and
C. T.
Liu
,
MRS Bull.
44
,
854
(
2019
).
44.
F.
Otto
,
A.
Dlouhý
,
K. G.
Pradeep
,
M.
Kuběnová
,
D.
Raabe
,
G.
Eggeler
, and
E. P.
George
,
Acta Mater.
112
,
40
(
2016
).
45.
C. M.
Rost
,
E.
Sachet
,
T.
Borman
,
A.
Moballegh
,
E. C.
Dickey
,
D.
Hou
,
J. L.
Jones
,
S.
Curtarolo
, and
J. P.
Maria
,
Nat. Commun.
6
,
8485
(
2015
).
46.
J. L.
Synge
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
145
,
699
(
1934
).
47.
S.
Haas
,
M.
Mosbacher
,
O. N.
Senkov
,
M.
Feuerbacher
,
J.
Freudenberger
,
S.
Gezgin
,
R.
Völkl
, and
U.
Glatzel
,
Entropy
20
,
654
(
2018
).
48.
G.
Tallarita
,
R.
Licheri
,
S.
Garroni
,
S.
Barbarossa
,
R.
Orrù
, and
G.
Cao
,
J. Eur. Ceram. Soc.
40
,
942
(
2020
).
49.
J.
Gild
,
K.
Kaufmann
,
K.
Vecchio
, and
J.
Luo
,
Scr. Mater.
170
,
106
(
2019
).
50.
M.
Qin
,
Q.
Yan
,
H.
Wang
,
C.
Hu
,
K. S.
Vecchio
, and
J.
Luo
,
Scr. Mat.
189
,
101
(
2020
).
51.
B.
Ye
,
T.
Wen
,
K.
Huang
,
C. Z.
Wang
, and
Y.
Chu
,
J. Am. Ceram. Soc.
102
,
4344
(
2019
).
52.
J.
Gu
,
J.
Zou
,
S. K.
Sun
,
H.
Wang
,
S. Y.
Yu
,
J.
Zhang
,
W.
Wang
, and
Z.
Fu
,
Sci. China Mater.
62
,
1898
(
2019
).
53.
R. G.
Munro
,
J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol.
105
,
709
(
2000
).
54.
E.
Castle
,
T.
Csanádi
,
S.
Grasso
,
J.
Dusza
, and
M.
Reece
,
Sci. Rep.
8
,
8609
(
2018
).
55.
Y. J.
Zhao
,
J. W.
Qiao
,
S. G.
Ma
,
M. C.
Gao
,
H. J.
Yang
,
M. W.
Chen
, and
Y.
Zhang
,
Mater. Des.
96
,
10
15
(
2016
).
56.
Y. J.
Zhou
,
Y.
Zhang
,
F. J.
Wang
, and
G. L.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
241917
(
2008
).
57.
H. W.
Yao
,
J. W.
Qiao
,
J. A.
Hawk
,
H. F.
Zhou
,
M. W.
Chen
, and
M. C.
Gao
,
J. Alloys Compd.
696
,
1139
(
2017
).
58.
D.
Moskovskikh
,
S.
Vorotilo
,
V.
Buinevich
,
A.
Sedegov
,
K.
Kuskov
,
A.
Khort
,
C.
Shuck
,
M.
Zhukovskyi
, and
A.
Mukasyan
,
Sci. Rep.
10
,
19874
(
2020
).
59.
B.
Bakhit
,
J.
Palisaitis
,
J.
Thörnberg
,
J.
Rosen
,
P. O. Å.
Persson
,
L.
Hultman
,
I.
Petrov
,
J. E.
Greene
, and
G.
Greczynski
,
Acta Mater.
196
,
677
(
2020
).
You do not currently have access to this content.