高熵合金的優(yōu)良性能和應(yīng)用研究

賈云柯，杜艷晶，孫翠娟

（1.華北理工大學(xué)以升創(chuàng)新教育基地，河北 唐山 063210；2.華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210）

高熵合金的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)合金的發(fā)展框架，是一種創(chuàng)新的合金，具有學(xué)術(shù)研究意義和很大的工業(yè)發(fā)展?jié)摿?。高熵合金是?種～13種主要元素組成，每種元素的原子分?jǐn)?shù)控制在5%～35%之間、合金的性質(zhì)是多種元素集體性能的綜合體現(xiàn)。目前研究最多的高熵合金一般為多主元，經(jīng)熔煉、燒結(jié)等方法制成具有金屬特性的合金。主要有FCC、BCC和HCP三大類(lèi)固溶體高熵合金，其中HCP高熵合金較為鮮見(jiàn)[1]。不僅如此，高熵合金通過(guò)不同分元素配制可以獲得種類(lèi)繁多的新型合金。如今，高熵合金的研究深入到合金元素對(duì)高熵合金微觀(guān)組織與性能的影響、密排六方結(jié)構(gòu)高熵合金等方面，在高熵合金已研究方向的深入與未研究方向的拓展成為了關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。

1 多主元高熵合金的研究進(jìn)展

高熵合金中主要元素的增多使合金產(chǎn)生高熵效應(yīng)，合金傾向于形成簡(jiǎn)單的BCC或FCC，同時(shí)可能伴有第二相的生成，從而起到固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化的效果，使高熵合金的性能更加優(yōu)越。

1.1 高熵合金的性能

1.1.1 力學(xué)性能

Tong等人研究了鋁元素對(duì)CoCrCuFeNi五元高熵合金性能的影響，結(jié)果表明：隨著鋁元素含量的增加，合金系的硬度由CoCrCuFeNi合金的133HV增加到CoCrCuFeNiAl合金的655HV。這是由于合金中不斷生成強(qiáng)硬的BCC相以及Al原子引起的固溶強(qiáng)化和納米相第二相強(qiáng)化導(dǎo)致的。周云軍等人發(fā)現(xiàn)：Ti元素的加入，合金的強(qiáng)度得到明顯提高，并且高熵合金表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

何俊陽(yáng)等人分別測(cè)試了FeCoNiCrMn高熵合金在兩種晶粒尺寸情況下的動(dòng)態(tài)壓縮、拉伸以及扭轉(zhuǎn)性能，發(fā)現(xiàn)在這三種模式下，高熵合金均具有優(yōu)良的綜合動(dòng)態(tài)強(qiáng)度及塑性。浙江大學(xué)陳陳旭以三種常見(jiàn)的高熵合金作為研究對(duì)象，通過(guò)高熵合金微觀(guān)變形機(jī)理對(duì)高熵合金的塑性進(jìn)行了一定的證明。Chen等人研究了元素Ti和V對(duì)Al0.5SCoCrCuFeNi高熵合金耐磨性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同的Ti、V含量對(duì)耐磨性產(chǎn)生不同影響。

1.1.2 化學(xué)性能

Huang等人采用等離子噴涂的方法在氧化鋁基材上制備出兩種高熵合金涂層，測(cè)試涂層高溫下的增重，得出高熵合金的氧化性。福建大學(xué)張華等人用真空電弧爐法制備三種高熵合金，測(cè)定出合金的抗高溫氧化性和高溫腐蝕性能，探索出高熵合金中Si和Ti對(duì)高溫氧化和高溫腐蝕特性的影響。

Lee等人研究了鑄態(tài)AlSCoCrCuFeNi高熵合金在1mol/L硫酸溶液中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)了高熵合金的耐腐蝕性。王龍等人采用等離子體五靶磁控濺射方法在X80基體上制得高熵合金耐蝕涂層，發(fā)現(xiàn)退火處理可釋放部分涂層內(nèi)應(yīng)力，提高涂層耐局部腐蝕性能。鄭州大學(xué)房偉峰等人研究了CuCrFeNiMn基高熵合金的微觀(guān)組織和耐腐蝕性能等。

1.1.3 物理性能

北京科技大學(xué)左婷婷等人[3]在CoFeNi上添加A1、Si，設(shè)計(jì)出CoFeNi(AlSi)x系高熵合金，發(fā)現(xiàn)CoFeNiMnAl合金具有最高的飽和磁化強(qiáng)度。對(duì)于鑄態(tài)下的CoFeNiMnAlx系合金，等原子比時(shí)達(dá)到最大值。過(guò)量鋁元素會(huì)對(duì)合金的飽和磁化強(qiáng)度起到削弱作用，并且同金屬中，F(xiàn)CC相有利于飽和磁化強(qiáng)度提高。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所郭靜副研究員等人對(duì)具有體心立方結(jié)構(gòu)的高熵合金樣品的超導(dǎo)電性進(jìn)行了系統(tǒng)的原位超高壓研究，發(fā)現(xiàn)該合金在壓力下具有穩(wěn)定零電阻的超導(dǎo)電性。S.Vrtnik指出不同組分TaNbHfZrTi系高熵合金在不同熱處理?xiàng)l件下都存在超導(dǎo)現(xiàn)象，有序納米結(jié)構(gòu)、短程原子對(duì)的出現(xiàn)使臨界溫度略有不同。Yih-Farn Kao等人通過(guò)對(duì)四個(gè)不同原子濃度組分?jǐn)?shù)的樣品進(jìn)行不同熱處理，研究TaNbHfZrTi高熵合金HEA的超導(dǎo)電性，發(fā)現(xiàn)不同組分合金在不同熱處理下的都存在超導(dǎo)現(xiàn)象。

1.2 高熵合金的組織結(jié)構(gòu)

1.2.1 以固溶體為主

臺(tái)灣清華大學(xué)的Tong等人通過(guò)添加不同含量的Al元素對(duì)ACoCrCuFeNi系高熵合金的組織結(jié)構(gòu)及機(jī)械性能進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Al元素含量的變化對(duì)合金的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的影響。當(dāng)Al含量小于0.5時(shí)，合金為單一的FCC結(jié)構(gòu)；當(dāng)Al含量達(dá)到0.8時(shí)，會(huì)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，合金表現(xiàn)為FCC和BCC組成的混合結(jié)構(gòu)；當(dāng)Al含量高于1.0時(shí)，會(huì)發(fā)生調(diào)幅分解，合金中有納米相生成；直到鋁含量大于2.8時(shí)，合金形成單一的BCC固溶體。

1.2.2 含有中間相

Canto等人研究了等原子比的16組元(Co，Cr，F(xiàn)e，Mn，Ni，Cu，Ag，W，Mo，Nb，Al，Cd，Sn，Pb，Zn，Mg)和20組元(Co，Cr，F(xiàn)e，Mn，Ni，Cu，Ag，W，Mo，Nb，Al，Cd，Sn，Pb，Zn，Mg，Bi，Ge，Si，Sb)的高熵合金的組織結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與CoCrFeMnNi高熵合金相比，這兩種合金的組織中有復(fù)雜的脆硬相共存現(xiàn)象。Hsu等人研究了金屬元素硼對(duì)CuCoNiCrAl0.5Fe高熵合金的影響，研究結(jié)果表明：硼元素添加會(huì)使合金中析出多種富含F(xiàn)e、Cr的硼化物，并且隨著硼元素含量的提高，硼化物數(shù)量會(huì)逐漸增多，合金的有序化程度也相應(yīng)提高。

1.2.3 非晶組織

對(duì)于傳統(tǒng)合金而言，特殊的熱處理?xiàng)l件才能析出納米結(jié)構(gòu)相，但是對(duì)于高熵合金而言，鑄態(tài)和完全回火態(tài)就能析出納米相甚至非晶組織，結(jié)合相關(guān)的研究猜測(cè)此現(xiàn)象是由晶格畸變效應(yīng)和緩慢擴(kuò)散效應(yīng)綜合影響的。

2 展望

高熵合金作為一種新型金屬材料，具有優(yōu)良的性能，未來(lái)?yè)碛袕V闊的發(fā)展前景。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在高熵合金的性能與組織結(jié)構(gòu)等方面有一定的研究，并在合金的成分與制備工藝上取得新進(jìn)展。然而，高熵合金的實(shí)際應(yīng)用仍很少見(jiàn)，其主要原因仍在于制備工藝復(fù)雜、效率低、成本高等。不僅如此，高熵合金的性能、使用條件、應(yīng)用領(lǐng)域等方面研究還不夠完善，仍需要進(jìn)一步深入與細(xì)化。此外，由于金屬元素種類(lèi)繁多，合金組成各種各樣，只研究一種或兩種元素添加對(duì)高熵合金的影響過(guò)于片面。因此在未來(lái)的研究當(dāng)中，高熵合金的性能指標(biāo)影響因素應(yīng)進(jìn)行合理的完善與總結(jié)。