高熵合金添加元素
關注創建者：寧老大?? 創建時間：2022-06-09
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，導致對新合金尤其是高熵合金（HEA）的研究越來越多。
正如先前的文獻所述，在五組分體系(例如，>105等摩爾組分)的巨大潛在成分空間中，只有幾百(~200)個是單相，正如理論計算所預測的那樣，這表明了均勻合金的稀缺性和挑戰性。
圖1 高溫高熵合成的極端合金化。
在此，研究者報道了在過渡金屬擴展范圍中合金化的系統研究，重點是解決納米尺度合金中發生的不混溶和氧化問題。與現有的將合金限制在類似元素中的規則不同，研究者使用了基于高溫和高熵的策略(T*ΔSmix)來熱動力學驅動合金形成，它不特定于合金成分，因此，可以實現一般的合金化(圖1B)。此外，高溫合成可以誘導納米級金屬還原，避免氧化物雜質。在動力學上，高熵結構的特點是多元素與扭曲的晶格混合，這可以穩定那些不相容的組合和減少的元素成熵穩定的合金，從而具有以前不可能的極端混合合金的特點。這里，研究者將“極端混合”指的是超出現有規則預測的合金形成。
如圖1C所示，研究者將合成溫度從300-800 K下的常規納米材料合成提高到1800 K的高溫，構型熵從二元(ΔSconf = 5.76J/mol/K)提高到15種元素混合(ΔSconf= 22.51 J/mol/K)，從而大大增加了熵貢獻T*ΔSmix，增加了約8倍至約40 kJ/mol，這對平衡焓損失和驅動合金形成，是至關重要的(ΔGmix = ΔHmix-T*ΔSmix)。基于以上合成方法，正如掃描透射電子顯微鏡(STEM)進行元素映射的那樣，研究者在均勻的合金結構中，發現了15種早期和晚期過渡金屬的極端混合，包括強烈排斥的Au和W(圖1D)。因此，利用熵貢獻，該項研究大大擴展了過渡金屬的混合勢，并為納米級合金的合成提供了指導。
圖2 高溫高熵合成法克服不混溶性。
展開 圖2 不同循環次數下的微觀結構
最后，通過研究不同晶粒取向的位錯結構發現，不同于單晶材料，在多晶CoCrFeMnNi合金中，晶粒取向與位錯結構的形成沒有直接的關系。因此作者認為，多晶材料中，不同位錯結構的形成更多地由相鄰晶粒的約束決定。此外，單個晶粒中多種位錯結構的形成也與相鄰晶粒的約束效應有關。
圖3 多個不同取向的晶粒的位錯結構
本文揭示的CoCrFeMnNi 高熵合金在低周疲勞下的變形機理，同樣適用于具有同等層錯能（Stacking Fault Energy）的其他FCC高熵合金。同時本文對比了該合金和316L奧氏體鋼的循環變形響應，解釋了高熵合金潛在的獨特疲勞性能的來源，為將來高抗疲勞性能的高熵合金設計提供了支持。
另外，該研究人員還對比研究了CoCrFeMnNi 高熵合金和CoCrNi中熵合金，相關成果以題目‘Superior low-cycle fatigue properties of CoCrNi compared to CoCrFeMnNi’發表在《Scripta Materialia》上。研究發現CoCrNi具有更好的疲勞性能，并將這種性能歸因于CoCrNi較低的層錯能。相較于CoCrFeMnNi中位錯的交滑移運動引起的墻和胞結構，CoCrNi的低層錯能促進了位錯的平面運動，使得塑性變形更加均勻，進而提高了疲勞性能。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.113667
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。
展開 然而，目前開發的鐵素體高溫合金高溫強度較低，限制了其應用。
在此，來自美國Computherm有限責任公司的Chuan Zhang & 美國國家能源技術實驗室的Michael C. Gao& 美國田納西大學的Peter K. Liaw等研究者報道了，使用基于CALPHAD的高通量計算方法來設計輕質、高強、低成本的用于高溫應用的高熵合金。相關論文以題為“High-throughput design of high-performance lightweight high-entropy alloys”發表在Nature Communications上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24523-9
航空航天和化石能源領域，得益于數十年來鎳基高溫合金的發展。然而，要獲得進一步的效率收益和環境友好，就需要開發廉價、輕、強特性的新材料。由于在高溫下具有良好的抗蠕變性能和相對較低的密度，人們在開發具有有序B2和/或L21析出相的無序體心立方(BCC)基體的新型鐵素體高溫合金方面，做出了大量的努力。然而，這些新興的析出強化鐵素體合金，仍存在高溫強度低、重量輕等缺點，限制了其應用。為了克服這些問題，需要新的合金設計策略。
最近，高熵合金(HEAs)或多主元素合金(mpea)的概念，徹底顛覆了傳統的合金設計策略，使用多主成分(≥5)而不是一個或兩個關鍵成分。由于多種原子大小不同的元素的存在，HEAs中的原子往往偏離其理想晶格位，產生嚴重的局部晶格畸變，阻礙位錯運動，導致強化效果顯著。為了追求更高的強度，在HEAs的設計中，嘗試了在保持中到高熵矩陣的同時，形成共格金屬間化合物沉淀。
展開 CIENCE CHINA Materials 近期在線發表的一篇論文深入研究了CoCrFeNi高熵合金的超低溫服役行為，發現液氦環境下孿晶主導的變形機制引發了鋸齒流變行為，變形孿晶和相變行為的共同作用導致了其優異的力學性能。
超低溫材料在深空探測、應用超導和氣體工業領域有諸多應用。隨著聚變反應堆領域和空間技術的進步，針對高性能低溫材料的需求越來越迫切。高熵合金作為多主元合金（多種合金元素等比例或近似等比例組成）的代名詞，近些年引起研究人員的廣泛關注。由于其合金設計理念的不同，高熵合金被認為具有突破傳統材料諸多性能極限的潛力。
美國國家航空航天局發射的好奇號、洞察號火星探測器和洞察號傳回地球的第一張圖片。（來自pixabay和百度圖片）
聚變反應堆裝置示意圖
該文詳細研究了具有面心立方結構的CoCrFeNi高熵合金的超低溫服役行為，結果顯示該合金在極低溫環境下，能夠保持高強度和極優異的韌性。
CoCrFeNi高熵合金的拉伸應力應變曲線
歸根結底，這些優異的綜合性能源于多組元合金極低的層錯能，使變形孿晶在超低溫環境下大量出現，進而導致材料在極限溫度下保持高強高韌的特點。另外，研究還發現該合金在超低溫環境準靜態拉伸時表現出FCC-HCP相變行為，說明在極低溫且高應力狀態下，HCP結構的CoCrFeNi合金比FCC結構更穩定，加深了我們對高熵合金相穩定性的認識。除此之外，高熵合金在液氦溫區拉伸時出現了鋸齒流變行為，作者認為這種特異性的現象是由孿晶主導的變形機制引起的，且相變行為的出現導致了該鋸齒行為不穩定。
不同金屬材料在4.2 K時的拉伸強度-延伸率圖
以上結果及上圖顯示，與傳統的金屬材料相比，高熵合金在極低溫環境結構材料領域具有很大的工業應用潛力。
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高熵合金作為一類新型多主元合金，因其獨特的成分設計理念而表現出優異的力學性能，如高強度、高硬度、良好的耐腐蝕性以及出色的抗疲勞性能。與傳統合金相比，在循環載荷下展現出獨特的位錯運動行為和損傷累積機制，為開發新型抗疲勞材料提供了廣闊的研究空間。疲勞失效是工程結構件的主要破壞形式之一，通常由循環應力（如正弦波載荷）作用下的微觀缺陷（如位錯聚集、裂紋萌生與擴展）逐漸累積所致。分子動力學（MD）模擬能夠在原子尺度揭示高熵合金在循環載荷下的微觀過程
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高熵合金也被稱為多主元合金
第二代高熵合金(HEA)（非等原子比）具備超越傳統合金和第一代等原子比單相高熵合金性能限制的優異性能。對于磁熱高熵合金，非等原子比(Gd36Tb20Co20Al24)100-xFex纖維的居里溫度最高達108 K，這克服了含稀土高熵合金的低溫限制，即普遍工作溫區在60 K以下。x = 2和3合金含有微量納米晶，這使得合金具有寬化的居里溫度分布。 基于此， 哈爾濱工業大學材料科學與工程學院的黃永江、
人們不斷尋找新的高溫合金，一些基于難熔元素(Cr-Mo-Nb-Ta-V-W-Hf-Ti-Zr)的新型體心立方(BCC)隨機多組分“高熵合金(HEAs)”在高溫下具有特殊的強度，但其物理來源尚不清楚。 在此，來自荷蘭格羅寧根大學的Francesco Maresca&美國田納西大學的Peter K. Liaw 等研究者，通過集成原位中子衍射(ND)、高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)和最新理論表明，
高熵合金(HEA)由于其良好的綜合力學性能、高耐磨性、良好的耐腐蝕性和高耐輻射性而引起了廣泛的研究。HEA通常比傳統合金更貴，因為它含有高濃度的合金元素。對于一些要求較高的應用環境，較高的成本是值得的，因為目前的傳統合金幾乎不能滿足性能要求。因此人們在研制抗輻射HEAs方面進行了大量的研究工作。著名的Cantor合金(等原子FeNiCoMnCr)，由于其優越的力學性能，在核反應堆的潛在應用中考慮到
作者：江蘇威拉里（葉國晨 魏放 姜謀偉）
高熵合金是由5種以上（一般不會超過13種）主要元素（金屬或金屬與非金屬）組成，每種主要元素的原子分數要大于5%且不能超過35%。實驗采用FeCoNiCrMn高熵合金，其理論原子比為1∶1∶1∶1∶1，質量分數范圍如表1所示。
表1 FeCoNiCrMn成分表
粒徑數據以體積堆積百分比顯示，例如，檢測結果為Dv
現代民用和工業應用(如飛機燃氣渦輪發動機的葉片，直升機、火箭燃氣輪機)對耐熱金屬材料的需求強烈，高強度、良好的均勻伸長率和800℃以上高溫環境耐受性是研究人員的主要目標。長期以來，鎳基高溫合金一直是這些應用的最佳選擇，現在正在努力提高耐熱能力和蠕變強度，以提高推重比和燃油效率，然而這種進一步的改進現在幾乎達到了瓶頸。最近，高熵合金(HEAs)已成為一類新的結構材料，開發的HEA通常由五種或更多主要
體心立方(BCC)高熵合金(HEAs)具有優異的高溫強度和耐輻照性，由于其在能源、空間和核應用領域的潛在應用，近年來受到越來越多的關注。BCC結構HEAs優異的高溫強度與高溫下晶體缺陷(如位錯)的復雜松弛密切相關，這是由包括局部晶格在內的固有特征引起的。HEAs中弛豫行為的復雜性表現在兩個方面：一方面，原子混亂程度的增加導致缺陷對稱性的降低，這增加了弛豫參數的數量并增強了耦合效應；另一方面，大的局
將金屬和合金的強度和延展性同時提升，一直是一個巨大的挑戰。 在此，來自香港大學、美國田納西大學、新加坡高性能計算研究所等單位研究者，采用蒙特卡羅方法、分子動力學模擬和密度泛函理論計算相結合的方法，研究了CoCuFeNiPd高熵合金(HEA)。相關論文以題為“Simultaneously enhancing the ultimate strength and ductility of high-en
