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      1. 專題 | 美國空軍實驗室綜述:高熵合金的特點及其研究現狀
        2019-07-22 15:06:41 作者:本網整理 來源:《腐蝕防護之友》 分享至:

        1、前言

         

        多主元素合金(MPEAs)和高熵合金(HEAs)的首次成果出現在同一年。在 1970 年代后期,MPEAs 的最初是本科畢業論文,隨后于 1998 年又開設了另一個本科項目,最后,在 2002 年的一次會議上發布。在 1996 年,HEA 內容發表了一系列論文,隨后又出版了 5篇文章。最后,“高熵合金”和“多主元素合金”術語統一為 MPEAs。


        除了這些出版物之外,還有三項研究也值得說一說。第一篇論文報告了相同質量分數的達 7 種金屬元素混合物的基本性質(硬度,密度等)。從 11 種不同元素中抽取出 900 多種合金。第二篇論文將 MPEA 概念應用于金屬玻璃。論文使用已知金屬玻璃合金中化學相似元素的等摩爾取代。這是第一本介紹MPEAs提供的廣泛組合空間概念的作品。這也是第一次關于該主題的實驗結果的出版論文。第三篇是 2003 年發表的沒有給出任何結果,但提供了對 HEA 概念的雄辯和令人回味的介紹。這些概念當時正在出版,并于次年初出版,這對HEA 領域也很重要。


        1.1 高熵合金的定義

         

        (1)成分定義

         

        最早的論文將 HEAs 定義為“由等摩爾比的五個或更多元素組成的合金”。


        等摩爾濃度的要求是“每個元素的濃度在 5-35.%之間元素。”因此,HEAs 不必是等摩爾的,這顯著增加高熵合金的數量。HEA 還可能包含微量元素,以改善 HEA 的屬性,擴展 HEA 的數量。這種組合物僅規定了元素濃度,對熵的大小沒有限制。


        (2)高熵定義

         

        “高熵”是基于熵值的大小定義。因此,定義低等(SSS,理想 <0.69R,其中 SSS 理想值是理想 SS 中的總配置摩爾熵,R 是氣體常數),中等(0.69R<SSS,理想 <1.61R)和高等(SSS,理想 >1.61R)熵合金。玻爾茲曼方程給出了一種用理想合金成分,估算 SSS的簡單方法。但是它要求原子占據隨機晶格位置,這在金屬溶液中很少;它還定義合金具有單一的熵值,實際上合金的熵值會隨溫度變化。為了解決這些問題,基于合金的熵的定義可以由“液體溶液和高溫固溶體狀態表示,其中熱能足夠高以使不同元素在結構內具有隨機位置”。然而,即使二元金屬液體,在熔化溫度下通常也沒有隨機原子位置。因此熵值分類的依據還有一些問題。


        1.2 高熵合金的四個核心效應

         

        (1)高熵效應

         

        高熵效應是 HEA 的標志性概念。比較理想的形成熵與純金屬的焓(選定 IM化合物的形成焓)可以得知,在具有 5個或更多元素的近等摩爾合金中,其更有利于形成 SS 相而不是 IM 化合物。這時不考慮特殊組合,僅熵和焓的高低來分析常規的 SS 相和 IM 相。熵值也只考慮生成熵。雖然振動、電子和磁性也影響其熵值,但是最主要的因素仍然是合金的結構。


        (2)晶格畸變

         

        嚴重的晶格畸變是因為高熵相中的不同原子尺寸導致的。每個晶格位置的位移,取決于占據該位置的原子和局部環境中的原子類型。這些畸變比傳統合金嚴重的多。這些變原子位置的不確定性導致合金的形成焓較高。雖然在物理上,這可以降低 X射線衍射峰的強度,增加硬度,降低電導率,降低合金的溫度依賴性。但是,仍然缺少系統的實驗來定量描述這些性能的變化值是多少。例如,組成原子之間的剪切模量不匹配,也可能有助于硬化;局部鍵的變化也可能改變電導率、熱導率和相關的電子結構。


        (3)緩慢的擴散特點

         

        在 HEAs 中,擴散是緩慢的。這可以在納米晶和非晶合金的形成和其顯微結構中觀察到。


        (4)“雞尾酒”效應

         

        首次“雞尾酒”效應是 S. Ranganathan 教授使用的短語。最初的意圖是“一種愉快,愉快的混合物”。后來,它意味著一種協同混合物,最終結果是不可預測,且大于各部分的總和。這個短語描述了三種不同的合金類別:大塊金屬玻璃、超彈性和超塑性金屬以及HEAs。這些合金都是多主元素合金。“雞尾酒”效應表征了無定形大塊金屬玻璃的結構和功能特性。


        與其他“核心效應”不同,“雞尾酒”效應不是假設,也不需要證明。“雞尾酒效應”的意思是特殊的材料特性,通常源于意想不到的協同作用。其他材料也可以這樣描述,包括物理性質,例如接近零的熱膨脹系數或催化響應;功能特性,如熱電響應或光電轉換、有超高強度,良好的斷裂韌性;抗疲勞性或延展性等結構特性。這時材料的性質主要依賴材料成分,微觀結構,電子結構和其他特征。“雞尾酒”效應揭示 MPEAs 的多元素組成和特殊的微觀結構,進而產生非線性的意外結果。


        2、高熵合金的熱力學特征

         

        2.1 固溶體的熵和焓

         

        固溶體(SS)相的吉布斯能表示為 G ss =H ss -T(S ss )。在理想熔液中 H SS =0,但是實際上 H SS 通常含有較小的值。當H SS >0 時,非隨機分布的原子呈現相分離的趨勢;當 H SS <0 時,表現出化學短程有序(SRO)。


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        圖1(a)700 K時,Co-Ni合金在常規熔液的熵、焓和吉布斯能量圖;(b)700 K

        時,Ce-Ni合金在亞常規熔液的熵、焓和吉布斯能量圖

         

        HEA 合金中最穩定的溶液出現在等摩爾組分中,但對于亞常規溶液來說卻不一定。考慮常規(圖 1a)和亞常規(圖1b)固溶體的代表性熱力學函數。圖 1a 中最穩定的組合物是等摩爾組合物,但在圖 1b 中它是 x B =0.55。HSS 曲線中的不對稱程度較小,也更明顯。分析表明 H SS 中的最小值,可以出現在 x B =0.50±0.10 范圍內。 由于亞常規溶液最常見的,因此最穩定的固體溶液通常可從等摩爾組合物中置換出來。

         

        2.2 金屬間相的熵和焓

         

        金屬間相(IM)的吉布斯能 G IM =H IM -TS IM ,其中 H IM 和 S IM是 IM 相的摩爾生成焓和熵。SS 和 IM 相的結構不同,因此相同成分和結構的熵值也是不同。圖 2 是 SS 和 IM 晶體結構示意圖。由圖 2 可知,IM 相的熵值很小,每個晶格只有一個元素,但是多主元合金的一個晶格位點,通常是多種元素隨機分布,顯著增加了熵值。


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        圖2 (a)二元有序晶體示意圖;(b)多主元晶體示意圖。

         

        3 高熵合金的分類

         

        3.1 高熵合金的主要元素

         

        本文統計了 480 種合金,使用了 37 種元素,如圖 3 所示。包括 1 種堿金屬(Li);2 種堿土金屬(Be,Mg);22 種過渡金 屬(Ag,Au,Co,Cr,Cu,Fe,Hf,Mn,Mo,Nb,Ni,Pd,Rh,Ru,Sc,Ta,Ti,V,W,Y,Zn,Zr);2 種基本金屬(Al,Sn);6 種鑭系元素(Dy,Gd,Lu,Nd,Tb,Tm);3 種類金屬(B,Ge,Si)和1 種非金屬(C)。Al,Co,Cr,Cu,Fe,Mn,Ni 和 Ti 這幾種元素出現在 100 多種合金中,其中四種元素(Co,Cr,Fe,Ni)各在高熵合金中的比例高達70%以上。另外,難熔元素(Mo,Nb,V,Zr)在高熵合金中也屬于常見元素。本文中的高熵合金平均含有 5.6 種元素。


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        圖3 多主元合金(MPEAs)中408元素的使用頻率圖

         

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        圖4 :7個合金系列中的組成元素圖


        3.2 高熵合金的體系

         

        本文中統計的 408 種 MPEAs 可分為 7 個合金系列,如圖 4 所示。包括 3d過渡金屬 CCA,難熔金屬 CCA,輕金屬CCA,鑭系元素(4f)過渡金屬 CCA,CCA 黃銅和青銅,貴金屬 CCA 和間隙化合物(硼化物,碳化物和氮化物)CCA。


        4、高熵合金的顯微結構

         

        4.1 相的定義和分類

         

        沒有晶體結構的相稱為非晶態或玻璃態。盡管原子在無定形結構中是無序的,但在本工作中它并不被稱為無序,以避免與無序的結晶固溶體相混淆。具有兩個或更多化學上不同的亞晶格,具有化學 LRO 相定義為有序或金屬間(IM)或化合物。在這項工作中,LRO 僅涉及子晶格上的化學排序,而不涉及平移和/ 或旋轉對稱。IM 相由 AxBy 表示,也由 Strukturbericht 表示,Pearson 符號或通用名稱(如Laves或sigma)和原型化合物。具有單晶格的合金元素的相描述為無序固溶體(SS)。SS 相中可能存在或不存在 SRO。SS 相通過原子填充方案(FCC,BCC,HCP)或 Strukturbericht 描述更復雜的結構。簡單相和復雜相的區別僅限于晶體結構,對性能沒有任何影響。


        最近,對微觀結構的分類方法與上述相同。具有一種或多種無序固溶體的微結構稱為 SS 微結構或合金;具有一一種或多種金屬間相的微結構稱為 IM微結構或合金;具有無序固溶體和金屬間相混合物的微觀結構稱為(SS+IM)微結構或合金。CCA 不限于 SS 相或單相微結構,可以具有任何含量的 SS 或IM 相,或 SS 和 IM 相的混合物。另一類HEAs- 金屬玻璃 - 具有亞穩態非晶結構,可通過快速凝固或機械合金化獲得。


        4.2 相的觀察

         

        本文統計了 23 種結晶相。晶體結構主要通過 Strukturbericht 表示法列出。例 如:A1 結 構(Pearson 符 號 cF4,Cu原 型), 列 為 FCC;A2 結 構(Pearson符號 cI2,W 原型),標記為 BCC;A3結構(Pearson 符號 hP2,Mg 原型),以HCP 給出;σ 用于表示 D8b 晶體結構(Pearson 符號 tP30,σ-CrFe 原型)。CCA晶體結構:A5(tI4,β-Sn);A9(hP4,石墨);A12(cI58,α-Mn);B2(cP2,ClCs,AlNi);C14(六角Laves相)(hP12,MgZn 2 ,Fe 2 Ti);C15( 立 方 Laves 相)(cF24,Cu 2 Mg);C16(tI12,Al2Cu);D0 2 (cF16,BiF 3 ,Li 2 MgSn);DO11(oP16,Ni3Si);D0 22 (tI8,Al 3 Ti);D0 24 (hP16,Ni 3 Ti);D2b(tI26,Mn 12 Th,AlFe 3 Zr);D 85 (hR13,Fe 7 W 6 ,Co-Mo 和 Fe-Mo);D8 m (tI32,W 5 Si 3 ,Mo 5 Si 3 );E9 3 (cF96,Fe 3 W 3 C,Fe-Ti);L 10 (tP2,AuCu);L 12(cP4,AuCu3);和 L 21 (Heusler)(cF16,AlCu 2 Mn)。其中,NiTi 2 (cF96)找不到Strukturbericht 表示法。至少一個超晶格峰未確定的相被列為 IM,并且未識別的相被列為 Unk(未知)。該列表包括 6 種無序晶體結構(BCC FCC,HCP,A5,A9,A12)。


        到目前為止,最常見的相是無序FCC (在410種合金出現465次)和BCC (在306 種合金中出現 357 次),其次是有序的 IM 相 B2(在 175 種合金中發生 177次),σ(在 60 種合金中出現 60 次)和六角形 Laves 相 C14(在 50 種合金中出現 50 次),如圖 5 所示。HCP 相僅出現在 7 種合金中。通過 BCC,FCC 或HCP 相出現的次數,FCC 相在微結構中出現的總次數為 56%。BCC 階段略不常見(43%),HCP 階段占 BCC,FCC 或HCP 階段報告次數的 1%。7 個 HCP 相中有 6 個屬于三個不同的合金系列(輕金屬,4f 過渡金屬和“其他”CCA)。這些合金系列之間沒有共同的元素,這表明仍有很多機會發現具有 HCP 晶體結構的新 CCA。


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        圖5: 微觀結構的648種相出現次數的柱狀圖


        4.3 相的計算

         

        雖然有許多方法用來計算 SS 相,但是應用最多的還是經驗方法。本文分析了經驗方法、熱力學模型和原子方法對 SS 相的預測。


        (1)經驗方法

         

        Hume-Rothery 規則計算 SS 相的形成時,需要考慮的因素有原子尺寸(δr)、晶體結構、電負性(δr)、電子濃度(VCE)和化合價,及熱力學條件:混合焓(H SS )、混合熵(S SS )和熔化溫度(T m )。其計算公式如下:


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        其中,r i 、χ i 、VEC i 和 T m,i 分別是原子半徑、電負性、價電子濃度和元素 i 的熔點;c i 和c j 是原子i和j的原子百分比;r(-)= ∑ c i r i 和 χ(-)= ∑ c i χ i 是平均原子半徑和平均電負性;Hij 是在常規二元溶液中等摩爾濃度下元素i和j的混合焓。


        預測 HEA 中 SS 或 IM 相的大多數經驗方法,使用 δr 和 H SS 或 Ω。原子尺寸不匹配和 H SS 是無定形(AM)合金的眾所周知的經驗標準。這些參數將 HEA中的 SS 和 AM 相分開,但 IM 相與這兩個場重疊,如圖 6 所示。后來嘗試結合H SS ,S S S 和 T m ,分離 SS 和 IM 相。這項結果略好于 δr 與 H SS 的相關性,但仍然可以看到重疊(圖 6b)。能夠分離SS 和 AM 相使因為它們屬于的無序溶液相。


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        圖6 :分離SS、IM、(SS+IM)和非晶(AM)相區的經驗相關性:(a)δr與H SS 的經驗相關性;(b)δr與Ω

         

        的經驗相關性圖。

         

        (2)熱力學模型

         

        雖然在不考慮 IM 相的吉布斯能量時,可以通過合金元素數量和濃度建立方程,獲得吉布斯能量。這種方法的最大優點是簡單。但是通過形成熵和金屬間相形成焓之間,建模能夠區分單相 SS合金和包含 IM 相的合金。另一種思路是獲得多組分的合金相圖。目前最可靠的方法是 CALPHAD。通過 CALDPHAD 計算生成的含有 3-6 種元素的 130000 多種不同等摩爾合金的相圖,用來分析相結構。分析表明,隨著合金成分數N的增加,形成 SS 合金的可能性降低。對于最可靠的計算(f AB =1),在 Tm 和 600℃下,對于任何 f AB 值的計算都發現了相同的趨勢。在 CALPHAD 計算中,未統一使用元素,因為某些元素在熱力學數據庫中比其他元素更多。例如,Al 和 Cr 在每個使用的數據庫中;除了一個數據庫外,Fe,Mo,Si,Ti 和 Zr 也都在;除了2 個數據庫之外,Ni 和 Ni 都在。元素Dy,Gd,Lu,Rh,Ru,Sc,Tm 和 Y 各自僅出現在 1 或 2 個數據庫中。這種偏差在 f AB =1 數據集中被放大,因為熱力學描述通常僅適用于更常用的元素。圖7 中的 CALPHAD 數據集,顯示了使用每種元素的計算合金的百分比。實驗合金中元素用量的偏差更大。由于這些偏差,計算的 BCC,FCC 和 HCP 相,對于兩個公開的 CALPHAD 是不同的。計算的 BCC,FCC 和 HCP 相的頻率,作為計算數據集中 BCC,FCC 和 HCP 相總百分比,對于f AB 是BCC(65%),FCC(29%)和 HCP(6%)=1 并且對于 f AB = 全部是BCC(62%),FCC(12%)和HCP(26%)。


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        圖7:在實驗和兩個CALPHAD中元素的使用頻率圖


        5、高熵合金的性能

         

        5.1 高熵合金的功能性

         

        在 AlxCoCrFeNi(0 ≤ x ≤ 2) 和Al x CrFe 1.5 MnNi 0.5 Moy(x=0.3,0.5,y=0,0.1)合金體系中,在 1273 K 下,對合金退火、水淬和鑄態條件下的導熱系數進行研究。在 293-573K 時,合金的熱導率和熱擴散率值隨著溫度的增加而增加,分別在 10-27Wm -1 K -1 和 2.8-3.5mm -2 s -1的范圍內。這些值低于純金屬,但接近合金鋼和超鎳合金。這現象與純金屬相反,與不銹鋼相似。單相 FCC 合金(低Al 含量)幾乎是單相 BCC 合金(高 Al含量)的導熱率一半。在單相區域內,熱導率隨著 Al 含量的增加而降低。這些行為是因為晶格畸變和高溫下晶格熱膨脹導致。


        Al x CoCrFeNi 合金的電阻率通常為100-200μΩ-cm(0 ≤ x ≤ 2)。這些合金中的電阻率隨溫度呈線性增加。合金結構隨著 Al 含量的提高,從 FCC 轉變為 BCC+FCC,再轉到 BCC,導致電阻率的呈現非線性變化。實驗數據表明 BCC 和 FCC 相的電阻率符合線性關系 ρBCC=107+1.43(C A1 );ρFCC=107+5.50(C A1 );其中 cAl 是各相中的Al 濃度,單位為%;如圖 8 所示。在相同組成下,FCC 相的電阻率高于 BCC 相的電阻率,兩相場中的電阻率遵循 BCC和 FCC 相的體積分數的線性平均值。


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        圖8 在400K時,Al x CoCrFeNi合金的電阻率隨Al含量的

        變化圖

         

        幾乎所有的磁性合金(CCAs)都含有 Co,Fe 和 Ni。CoFeNi 是一種具有FCC 晶體結構的單相 SS 合金,具有鐵磁性,飽和磁化強度(M s )為 151emu/g。純 Fe 的 M s 為 218emu/g,純 Ni 的 M s 為55emu/g。FCC 結構轉化為 FCC+BCC/B2, 在 AlxCoFeNi 中 添 加 Al, 或 在CoFeNiSi x 中 添 加 到 FCC+ 硅 化 物。 所有合金都是鐵磁性的,當 Al 從 x=0 增加到 1 時,M s 減小到 102emu/g,或者當 Si 從 x=0 增加到 0.75 時,M s 減小到80.5emu/g。磁致伸縮效應非常小,這對于確保材料在外部磁場中不受應力是必要的。在(AlSi)x CoFeNi (0≤x≤0.8)中加入 Al 和 Si,x=0.2 時的性能得到Ms,矯頑力,電阻率,屈服強度和無斷裂應變,使合金成為有吸引力的軟磁材料。在均質 Al x CoCrFeNi(0 ≤ x ≤ 2)合金中向 CoFeNi 中添加 Al 和 Cr,在 5K 和 50K 時具有鐵磁性,但由于合金相的變化,在 300K 時具有順磁性。


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        圖9: 在FCC不銹鋼合金和CoCrFeMn 0.5 Ni合金中,Ni(DNi)的擴散系數:(a)反向溫度函數的擴散系數,

         

        (b)反向通過主體合金熔點的擴散系數歸一化圖。

         

        5.2 高熵合金的擴散性能

         

        緩慢擴散是高熵合金(HEA)“核心效應”之一。AlxCoCrCuFeNi 合金在鑄態時形成納米晶,退火后納米晶體發生緩慢擴散。但是,Al 0.5 CoCrCuFeNi 合金爐冷后,卻沒有低溫相的形成。目前,AlMoNbSiTaTiVZr 是 比 TaN/TiN( 或 Ru/TaN)更好的擴散阻擋層。這是兩種擴散假說。在這些研究中,HEA 都含有 1 至5 種難熔金屬,每種金屬的 Tm>2100K,熱暴露時,處于相當低的溫度和短時間(<1 分鐘至 5 小時),極大地限制了質量傳遞。使用普通合金作為基準,在接近熔化溫度(T m )85%的溫度下,納米尺寸的沉淀物在超合金中能夠存在數十或數百小時。雖然上面引用的間接觀察結果與慢動力學一致,但與傳統合金相比,HEAs 合金中的擴散速度更慢。


        復雜性使擴散測量變得困難。實驗獲得的 MPEAs 擴散數據,如圖 9 所示。在相同溫度下,CoCrFeMn 0.5 Ni 中的擴散系數高于傳統合金。例如,Ni(DNi)在 CoCrFeMn 0.5 Ni,Fe-15Cr-20Ni 不 銹鋼中的擴散系數和純鐵在 1173 K 分別為 14.3×10 -18 m 2 /s,6.56×10 -18 m 2 /s和 3.12×10 -18 m 2 /s,在 1323K(最高測量溫度)為 5.74×10 -16 m 2 /s,分別為2.15×10 -16 m 2 /s 和 1.2×10 -16 m 2 /s。到873K,其中擴散通常被認為是阻止的,這些材料的 DNi 分別為 2.0×10 -22 m 2 /s,1.7×10 -22 m 2 /s 和 0.49×10 -22 m 2 /s。表明,在相同 873-1323K 溫度下,CoCrFeMn 0.5 Ni 合金中的 DNi 高于奧氏體鋼和純金屬。


        5.3 高熵合金的機械性能

         

        機械性能很大程度上取決于合金的成分和微觀結構。原子的彈性相互作用,影響合金中的錯位行為。合金的相和相體積分數,決定合金的性能。在固定的組成和相含量下,也可以通過改變相的尺寸,形狀和分布,改善性能。缺陷也在機械性能中起主要作用。原子級缺陷主要有空位,位錯和晶界,微觀或宏觀缺陷包括孔隙,化學偏析,裂縫和殘余應力。


        3d 過渡金屬 MPEAs 的硬度研究發現,Al x CoCrCuFeNi 合金從單相 FCC 結構轉變為 BCC+FCC,再轉變為單相 BCC,其硬度隨 Al 含量的增加而增加。在鑄態和均質條件下,AlxCoCrFeNi合金表現出類似的性能。單相 FCC 合金的維氏硬度在 100-200Hv 之間,單相 BCC 合金的硬度 >600Hv,BCC+FCC 合金的硬度值隨著 BCC 含量的增加。透射電子顯微鏡(TEM)研究表明,Al x CoCrCuFeNi 合金為有 BCC 和 B2 相的混合結構。BCC 和B2相之間的高密度界面,有助于提高含Al合金的硬度。據報道,硬度隨著 BCC+B2 相體積分數的增加而增加。


        3d 過渡金屬 MPEAs 的壓縮試驗研究發現,幾乎所有的合金都包括 CoCrFeNi,且添加少量的 Mo,Nd,Si,V,Y,Zn 和Zr。壓縮樣品通常通過鑄造或粉末冶金獲得。其微觀結構顯示出樹枝狀,即使在退火后,合金仍具有 1-2%的孔隙率。BCC和 FCC 相的微觀結構占主導地位。在 BCC 和 / 或 B2 相的合金中,壓縮屈服強度較高,在 1300-2400 MPa 的壓力范圍內,可高達 3300MPa。但是,延展性通常低于 10%,這是結構材料的實際最小值。


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        圖10 :3d過渡金屬CCA的拉伸數據:(a)屈服強度σy,(b)極限強度σut,

         

        (c)拉伸延展性ε。(d)ln(σy)對1000/T說明延伸率圖。

         

        3d 過 渡 金 屬 MPEAs 的 拉 伸 試 驗 研 究 發 現, 常 見 的CoCrFeMnNi 合金的晶粒尺寸和應變率是影響拉伸性能的主要因素。CoCrFeMnNi 合金微觀結構是單相 FCC 固溶體,富含 Cr或富 Mn 的第二相顆粒,通常含有退火孿晶。隨著溫度的升高,屈服強度(σ y )和最終(σ uts )強度都會持續下降,如圖 10所示。在 77-300 K 時,強度下降最快,在 300-800 K 時,強度下降緩慢。在高溫度下,這種現象效果更明顯。在 900 K 時,拉伸延展性 ε 7 隨著溫度降低增加。


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        圖11:(a)壓縮實驗中,屈服強度σy的溫度依賴性圖,(b)難混溶CCA的合

         

        金密度ρ與σy的標準化圖。

         

        難混溶合金 CCA 的研究沒有 MPEAs 那么成熟,如圖 11 所示。難混溶CCA合金研究的目的是延長結構金屬的使用溫度。圖 11 顯示了普通超合金的 σ y ,以實現延長結構金屬的使用溫度。Haynes ? 230 ? (Co 4 Cr 27 Fe 3 Mo 1 Ni 60 W 5 ) 是用于靜電板件的 SS合金,INCONEL ? 718((Al,Nb,Ti) 5 Co 1 Cr 21 Fe 19 Mo 2 Ni 52 )是沉淀強化合金,廣泛用于燃氣輪機行業的旋轉盤,MAR-M247 (Al 12 Co 10 Cr 10 Hf 1 Ni 62 Ta 1 Ti 1 W 3 )用于渦輪葉片。但是難混溶 CCA長處于壓縮態,而超合金處于拉伸狀態,所以難混溶 CCA 和超合金之間的僅強度直接比較是不合適的。此外,高溫合金滿足高溫應用的廣泛要求,包括拉伸延展性,斷裂韌性,抗氧化性,蠕變強度,疲勞強度和可加工性。這些其他特性尚未在耐火 CCA 中得到證實,卻是未來的研究方向。


        6、高熵合金的設計和應用

         

        6.1 高熵合金的結構應用

         

        3d 過渡金屬 CCA 與商用不銹鋼及鎳合金之間的存在成分重疊。盡管許多商業合金不滿足 HEA 定義,但它們仍然含有 3種或更多主要元素體現了 CCA 的性能。這支持了傳統合金是3d 過渡金屬 MPEAs 的結論,為 3d 過渡金屬 CCA 的應用提供了新視角。通過了解 CCA 金屬與商業合金性能的差距,可以找到機會改變這類合金性能。FCC 單相固溶體(SS)相場的范圍比奧氏體鎳和不銹鋼更寬。MPEA 還可以從商業合金中學習,關于非等摩爾組合物的影響,例如:微量合金添加劑如 C,N,Si,Mo,Nb和Ta對微觀結構和性能的影響,以及變形加工的作用。


        難熔金屬 CCA 可以設計為超鎳合金。目前,雖然難熔金屬CCA 的應用研究較少,但是以實現輕載靜電部件,例如:熱保護板、渦輪葉片和盤。難熔金屬 CCA 具有操作應力和溫度的潛能。但是沒有可拉伸性能驗證,且還有許多性能需要測試。


        6.2 高熵合金的功能性應用

         

        MPEA 合金的功能性研究遠少于結構性能。目前 CCA 的功能性應用,包括 MPEA 氮化物和硼化物或者貴金屬 CCA。MPEA 氮化物和硼化物的應用方向是耐磨涂層和擴展阻擋層。目前,關于耐磨涂層和擴展阻擋層的性能研究還不完善。MPEA 合金的合成元素具有獨特熱、電和磁學性能,這為開發其功能性應用提供了基礎。貴金屬 CCA 的催化性能,例如:催化轉換器、水分解、燃料電池陽極催化、牙科合金和記憶存儲設備等。


        7、結論與展望

         

        高熵合金的種類繁多,其顯微結構和性能具有很高的研究價值。高熵效應是調控其顯微組織和結構的主要因素。


        目前這一領域的關注點已經從 3d 過渡金屬 MPEAs,發展到了 7 個合金系列。每個合金系列包括 6-7 元素,已經產生了超過 408 種新合金。在這 408 種合金中含有648 種不同的微觀結構。研究發現,合金元素數量和加工條件對其顯微結構有顯著的影響。不同結構的高熵合金,呈現出不同的結構性能和功能特點。雖然高熵合金的性能研究,仍處于起步階段,但是其獨特的結構和廣泛合金種類,為其結構化應用和功能化應用提供了基礎。


        文 獻 鏈 接:A critical review of high entropy alloysand related concepts(Acta Materialia, 2018, DOI:10.1016/j.actamat.2016.08.081)。

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