多主元高熵合金的研究现状

多主元高熵合金不论在理论研究还是在实验研究方面都没有得出什么结果,只能通过鸡尾酒式调配方法得到一些多主元高熵合金体系。


高熵合金当前的研究主要着眼于高熵合金种类的开发,即试图将高尚合金这一概念尽量推广,以吸引更多的研究者参与这一新兴的材料产生探索与发展。高熵合金拥有许多源于其特殊微观组织的独特性能,例如很强的热力学稳定性,有利于发展高温高强度合金等。尽管高熵合金拥有许多相对于传统合金非常优越的性能,然而高熵合金当前始终还是一个刚刚出现,有待发展的一门新兴学科。但与其他材料不同的是,仅仅距离提出高熵合金这个概念十年,就已经发展出了硬度相当于高强度马氏体钢的高熵合金材料,由此可以看出高熵合金的潜在能力十分巨大,我们现在对其的了解只能相当于冰山一角。

当前对于高熵合金的研究方向据其四大效应主要分为以下几个方向:首先,较多的研究者着眼于新型高熵合金的开发,一般根据组成元素的原子半径之差小于6.5%,原子半径差距较小易于使合金材料拥有较高的混合熵,使其微观结构出现单一或两相混合的状态,而非出现复杂的金属间化合物。其次,最多的研究者着眼于已有高熵合金性能的提升。高熵合金最近被广泛接受的组成元素的组合约有20种,这些合金元素的组合因配比,处理方法,制备工艺等因素的影响下,其性能也会出现巨大差异;。为了研究不同组成元素配比即处理工艺对该类型高熵合金的影响,探究并总结其规律,大量研究者[15]花费了大量时间得出了大量翔实的数据,为后来者提供了可靠的数据理论基础,并研究出了许多可用于实用的材料,并为其大规模使用开发处理工艺。最后,少量的研究者着眼于高熵合金性能变化的根本原因,即研究高熵合金形成的原理极其性能变化与微观组织,合金成分,处理方法。通过对于高熵合金的组织的观察与总结,开发高熵合金可能的应用范围并对这种可能性进行验证。这需要开创性的想法与可靠的数据支持。下文中介绍几个第二类的研究者与其实验。

在传统合金中,微观结构决定这材料的性能,微观结构中的纳米颗粒对于材料性能的影响巨大,例如纳米铜材料拥有超出常识的拉伸伸长率。为了探究纳米尺寸的晶粒对高熵合金材料性能的影响,研究者汤春华[16]通过对AlCoCrFeNi系高熵合金进行高压试验机高压处理,并对其进行短时间的退火处理,以获得晶粒尺寸在100nm数量级的微观结构。通过对该高熵合金进行扫描电镜观察,能谱仪分析,透射电镜等方式分析其组织,对于该合金进行了足够的分析与研究后发现,100纳米数量级尺寸的晶体能对热处理时获得的材料组织转变速率与所获得的组织产生巨大影响。通常在高熵合金中,合金元素的扩散极为困难,因为高熵合金中晶格畸变严重,对位错等缺陷的移动产生阻碍,同时这些畸变钉扎了位错,使得元素在晶体间的移动被严重的阻碍,因此许多热处理方式需要在高温下进行,即便是时效这种处理方式依旧需要500℃以上的高温,否则处理所需的时间将会十分漫长,同时所获得的材料性能的提升幅度也会因此受到限制。然而,纳米尺寸的晶粒将会极大的加快这一进程,据研究发现,纳米尺寸的晶粒的晶界上能提供元素快速扩散的捷径,使得该高熵合金能在低温下快速形成稳定相,大大缩短了热处理所需要的时间和热处理温度。

CoCrCuFeNiTix的合金系列(x值的摩尔比x = 0,0.5,0.8和1.0)具有相对简单的微观结构和不错的性能。随着Ti添加量从0增加到1.0,合金系列的微观结构从单一FCC固溶体演变成复合结构:FCC和Laves相,也是无定形的一部分相。合金的屈服强度从230MPa增加增加到1272 MPa,其中CoCrCuFeNiTi0.5合金表现出高强度1650 MPa,加工硬化程度大。对于CoCrCuFeNi和CoCrCuFeNiTi0.5合金,FCC固体溶液表现出典型的顺磁性,而CoCrCuFeNiTi0.8和CoCrCuFeNiTi合金表现出来超顺磁性,其可归因于嵌入在微粒中的纳米颗粒组件的外观,由于Ti添加量的增加。 而且,用Ti添加的TB的折痕可能是一种开发新的超顺磁材料的方法。