高熵合金添加元素的案例
《Scripta Materialia》合金元素對高熵合金氫擴散和捕獲的影響!
，導致對新合金尤其是高熵合金（HEA）的研究越來越多。
含15種元素的高熵合金納米粒子
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)?；谝陨虾铣煞椒ǎ鐠呙柰干潆娮语@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 高熵合金、中熵合金低周疲勞加載下的變形機理
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 《Nature Commun》：高性能輕量化高熵合金的高通量設計
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 
一種高性能超低溫材料：高熵合金
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。
展開 《Nature》新子刊：基于證據的高熵合金推薦系統！
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s43588-021-00097-w
多元素合金(MPEAs，其中含5種元素的合金又稱高熵合金HEAs)，是一種由多種元素組成，形成高度無序固溶相的新型合金發展概念。這種合金具有高強度重量比、抗拉強度、抗腐蝕和抗氧化性能。為了與本研究中使用的公布數據相一致，研究者使用術語HEA來指由多個等原子組合元素組成的隨機合金，并形成固溶相。從材料發展的角度來看，必須推薦最可能形成單相HEAs的特定元素組合進行實驗驗證。
在演繹法中，有必要了解HEA的形成機制，或從基于無數第一性原理計算推導出的量子力學方程開始。在以往的HEA研究中，由于構型熵誘導的穩定性，假設HEA組成元素形成單相固溶體；然而，這一假設僅對某些多組分合金是正確的，其中大多數已被實驗證明形成多相。雖然人們對驅動HEA穩定的形成機理進行了大量研究，但控制單相HEA形成的關鍵因素仍然未知。用第一性原理計算構建多組分合金的相圖也可以直接預測哪些合金將形成固溶體；然而，這種方法涉及許多構型的能量計算和統計力學模型的實施，以估計熱力學性質，這兩者都是有計算需求的。因此，迫切需要通過第一性原理計算來尋找HEAs。
利用凝聚態理論知識創建的描述符，利用與現有實驗數據相擬合的參數，開發了幾種誘導篩選方法，以預測可能的HEAs或其結構相；然而，歸納法的應用需要足夠且平衡的數據來保證預測的準確性；這些數據通常無法與實驗材料數據一起獲得，這些數據要么缺乏要么嚴重偏向正面結果。此外，即便不能獲得很高的預測精度，但定量評價預測的不確定性仍是可取的，但這尚未實現。
另一個挑戰是設計合適的材料描述符，來表示包含不同元素數的合金的數據。
展開 保溫溫度對氬氣霧化制備高熵合金粉末粒徑的影響
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(50)=100μm，即表示：粒徑小于等于100μm的粉末占樣品總量的50%。由于氣霧化粉末的球形度很好，且空心球數量非常少，可以將樣品Dv(50)對應的粒徑值視為樣品的中位粒徑。
圖1 不同保溫溫度下粉末累積曲線
為了研究中間包的溫度對粉末粒徑的影響，在過熱度為200℃、霧化壓力為4.0MPa的條件下，觀察不同的中間包溫度對粉末粒徑的影響。測試結果如圖1所示。
根據實驗結果，保溫溫度為1100℃時，Dv(50)=56.2μm；保溫溫度為1150℃時，Dv(50)=56.9μm；保溫溫度1200℃時，Dv(50)=57.3μm。由于馬爾文3000激光粒徑儀在50~80μm的檢測誤差為±1μm，可以認為，保溫溫度對粉末粒徑幾乎沒有影響。保溫是氣霧化制粉過程中最重要的環節之一，是指將合金液倒入一個漏斗狀的中間包里，通過中間包底部特制的導流管進入霧化器，再被霧化成粉。在保溫過程中，合金液通過中間包的緩沖，變成穩定連續的低速液流進入霧化器，為平穩霧化粉末提供了先決條件。
在通常情況下，合金液經過導流管后會在其內表面形成很薄的凝固層，隨著合金液的不斷流動，該凝固層會被過熱度較高的合金液不斷加熱直至再次熔化，最終完成霧化時，導流管內表面不會附著凝固層。
展開 高熵合金施加循環應力（正弦，三角函數）的分子動力學
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，為理解其抗疲勞機理提供重要依據。然而，目前針對高熵合金在正弦波循環應力下的MD研究仍較為有限，尤其是不同成分、溫度及加載頻率對疲勞行為的影響仍需深入探索。本研究擬通過分子動力學模擬，對其開展研究。
1：建立長寬高均為150埃米的正方形盒子，在內部填充Ni、Fe、Cr三種原子：
建立的模型如下圖所示：
初始模型在NPT系綜平衡后，在溫度為800K、周期為50ps，拉伸速率以正弦函數變化，最大拉伸速率為0.05s-1的條件下，使用loop命令循環10次，使用 fix 3 all deform 100 x erate ${speed} remap x units box命令，在x方向進行拉伸。
在lammps中拉伸的命令設置如下
模擬結束之后，在origin中畫出x方向應變隨時間的變化情況：從圖中可以看出應變符合正弦函數。
2：在上述條件下，將正弦函數可調整為三角形，同樣拉伸10次結果下圖所示，同樣驗證良好。
本次模擬主要更改了應變的函數形式，溫度，拉伸頻率，周期都是固定的，后續可通過更改參數，進行更廣泛的研究，如峰值，循環次數，合金成分以及尺寸的影響，也可進一步增加缺陷，探究缺陷對拉伸的影響。
展開 西安交大《Scripta》：高熵合金在高溫氫化水的環境老化行為！
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應消除Co以降低輻射后的活度水平，降低Cr含量以穩定奧氏體相并再次減少輻射脆化而被調整為FeNiMnCr。該四元合金仍然保持了原始Cantor合金的優良力學性能，并且在相穩定性和輻射方面比傳統的FeCrNi奧氏體合金表現更好，在輻射劑量為1 dpa時表現出良好的相穩定性。該材料具有良好的抗輻射性能，是一種有應用前景的核反應堆結構材料，然而要對其在特定反應器環境中的老化行為進行全面的評價，還需要對其進行仔細的研究。
西安交通大學的研究人員首次研究了在類似壓水堆一回路水環境的高溫氫化水中，FeNiMnCr HEA的應力腐蝕開裂(SCC)誘發和氧化行為。
展開 大連理工《Scripta Mater》：新型輕質高強、低成本共晶高熵合金！
迄今為止，廣泛用于燃氣渦輪發動機和航空發動機的傳統鎳基高溫合金的最高使用溫度已達到其熔點的80%。因此，這些高溫合金已無法滿足工作溫度進一步升高而產生的更嚴苛的使用要求。共晶高熵合金(EHEAs)結合了高熵合金(HEAs)和共晶合金的優點，并表現出可控的、接近平衡的微觀結構，可以抵抗溫度變化直至共晶點，是高溫下應用的絕佳候選者。EHEA具有良好的可鑄性，可以通過直接鑄造制成工業規模的鑄件。因此這種EHEA因其卓越的強度和延展性而受到關注。
已有報道的EHEAs中觀察到的共晶相，發現它們主要由面心立方(FCC)和B2相或FCC和Laves相組成。在這些相中，FCC相具有延展性，但強度較低。B2相具有較高的室溫強度，但在高溫下的抗蠕變性較差。Laves相有多種晶體結構，但最穩定的結構仍不清楚。Laves相隨著溫度和外加應力的變化而發生轉變并具有室溫脆性，使EHEAs中難以控制其微觀結構和性能。因此，仍沒有開發出適合高溫下應用的EHEAs。
大連理工大學的研究人員開發了一種質輕且成本低的大塊共晶高熵合金，鑄態表現出更高的室溫、高溫硬度和比屈服強度，性能高于大多數已有報道的EHEAs、難熔HEAs和傳統合金。相關論文以題為“A novel bulk eutectic high-entropy alloy with outstanding as-cast specific yield strengths at elevated temperatures”發表在Scripta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114132
研究發現AlCr1.3TiNi2合金由BCC和L21相組成。
展開 香港大學《Nature》子刊：通過短程有序同時提升高熵合金強塑性！
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-entropy alloys via short-range ordering”發表在Nature Communications上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25264-5
傳統的金屬合金，通常由一或兩種主要元素與少量添加的其他元素組成(如鈦合金、鎂合金和鋁合金)。2004年，Yeh等人和Cantor等人提出了一類合金，其包含5種或5種以上的金屬元素的原子濃度相等或接近相等；它們現在被廣泛地稱為復合合金或高熵合金(HEAs)。許多實驗研究表明，HEA的強度和延展性高度依賴于其微/納米結構。理解HEA的結構-性能關系，可以實現合理的HEA設計。
展開 
首次發現于等原子高熵合金
滿足這些條件的主要候選材料是某些高熵合金(HEAs)，它們具有非凡的加工硬化能力和韌性。
近日，來自美國加州大學伯克利分校的Robert O. Ritchie & 美國加州大學圣迭戈的Marc A.Meyers等研究者，通過對等原子CrMnFeCoNi進行模壓，隨后進行準靜態壓縮或剪切動態變形，觀察到由層錯、孿晶、由面心立方向六邊形密排結構轉變的致密結構，尤其值得注意的是非晶化。相關論文以題為“Amorphization in extreme deformation of the CrMnFeCoNi high-entropy alloy”發表在Science Advances上。
論文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabb3108
金屬具有永久變形的能力，這種特性被稱為塑性。這表明它們可以被加工成管材，或其他復雜形狀而不會斷裂。這種特性對金屬及其合金的使用具有深遠的影響。在使用過程中裂紋尖端塑性變形而鈍化，從而防止裂紋的形成和擴展。金屬表現出這種特性的機制已經研究100多年了，并且有一套成熟的塑性理論，其基礎是三種主要機制：位錯、孿晶和相變。在非常罕見的情況下，第四種機制也能起作用，即通過無定形破壞晶體結構。本文首次在等原子高熵合金(HEA)中觀察到這種非晶變形。
HEAs由Cantor等人、Yeh等人于2004年獨立開發；某些合金，特別是以面心立方(fcc) crconi為基的HEAs，已被證明具有出色的強度和延性，這些性能導致非常高的斷裂韌性，即抗斷裂能力。因此，這些合金有許多重要的應用前景，具有潛在的革命性技術發展。
展開 哈工大《Sci China Mater》：微觀結構調控優化高熵非晶合金磁熱性能
(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。
《Nature Commun》：難熔高熵合金的位錯運動及化學短程有序
Ritchie等研究者，利用基于高精度機器學習原子間勢的廣泛分子動力學模擬，研究了體心立方MoNbTaW RHEA中螺旋位錯和邊緣位錯在寬溫度范圍內的移動機制。相關論文以題為“Atomistic simulations of dislocation mobility in refractory high-entropy alloys and the effect of chemical short-range order”發表在Nature Communications上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25134-0
近年來，高熵合金(HEAs)作為一種含多種主合金元素的金屬合金引起了廣泛的研究興趣，對其微觀組織、力學性能和變形機制進行了大量的研究。例如，作為一種新型結構材料，某些面心立方(fcc)合金，特別是基于CrCoNi的HEAs，已經被證明具有更高的強度和特殊的損傷容限，尤其是在低溫下。
另一類主要的HEA系統是難熔的高熵合金(RHEAs)，它主要由難熔元素組成，并且總是以體心立方(bcc)固溶體的形式結晶；這些合金由于其優異的抗軟化性和極高的熔點，被認為是高溫應用的有前途的候選材料。盡管由于RHEAs的脆性和氧化敏感性，在其加工過程中仍然存在許多實際挑戰，但許多RHEAs已經被設計、制造和實驗評估，并通過計算方法獲得了額外的見解。透射電鏡研究表明，隨著塑性應變的增加，螺旋位錯占主導地位，并通過原位掃描電鏡實驗觀察到高階面滑移活性；事實上，在這些濃縮的固溶合金中，普遍發現了強的本征晶格電阻。
展開 《PNAS》：揭示磁性和短程有序在高熵合金中的重要性！
，涉及許多集中元素，通常被認為是化學無序的。
