中熵合金的案例
:通過晶格扭曲設計超強中熵單相合金
Mater.上
【圖文導讀】
Figure
1.VCoNi
中熵合金微結構
(a).VCoNi合金在900℃退火60分鐘的點子背散射衍射反極圖
(b).TEM圖
(c-e).能量色散圖
(f).3D原子探針X斷層成像
(g).二維離子密度圖
(h).組份構成
(i).本體組分分析
Figure 2.VCoNi合金與其他幾種高強度合金的拉伸性能對比
(a).VCoNi合金與CrCoNi合金的應力-應變曲線
(b).VCoNi合金中，屈服應力與平均晶粒尺寸之間的關系
(c).VCoNi合金與其他高強度合金的拉伸性能對比
Figure 3
.
局部晶格扭曲的影響的計算結果
(a).VCoNi合金和CrCoNi合金中原子平均體積的變化
(b).VCoNi合金和CrCoNi合金中每一個元素對的第一最近距離
(c).多元素合金中的均方原子位移
圖
4.VCoNi
合金的形變機理
(a-c).40%形變的VCoNi合金在900℃退火60分鐘的相關表征
(d).c圖中對應的方向偏差圖
(e-g).不同形變程度樣品的電子通道對比成像分析
【小結】
在這個工作中，作者發現一種簡單的VCoNi中熵合金具有接近1 GPa的屈服應力和很好的延展性，這些都是傳統合金所不具備的性能。研究認為晶格扭曲可以合金的屈服應力和對晶粒的敏感性。
展開 利用激光選區熔化增材制造雙相難熔中熵合金NbMoTi
Double-phase refractory medium entropy alloy NbMoTi via selective laser melting (SLM) additive manufacturing
Yinan Chen a, Bo Li
本篇論文介紹了利用激光選區熔化（SLM）技術，成功制造出雙相難熔中熵合金NbMoTi。
由于其高熔點，單一BCC相元素金屬的制造難度大，同時單一相元素金屬的性質單一，限制了合金的性能。因此，本研究探討Nb、Mo和混合MoNbTi粉末的成型分析，FLOW-3D模擬首次成功證明了，利用激光加工可以從粉末混合物中原位合金化生產MoNbTi中熵合金。通過數值仿真優化制造參數，從而縮短流程設計周期。此外，本研究分析了非平衡固化過程中MoNbTi合金樣品的雙相微觀結構。
金屬材料規格如下。
實驗方式
將Nb、Mo和Ti粉末混合，并通過三維粉末混合機進行攪拌36小時，得到混合粉末。
通過數值模擬（FLOW-3D）確定優化的加工參數，如激光功率、掃描速度、掃描間距和層厚等。
以SLM技術制備出Nb、Mo和NbMoTi高熵合金樣品，并使用阿基米德測量法測量了它們的密度。
實驗結果表明，經過優化的加工參數可以成功制備出高密度的Nb、Mo和NbMoTi高熵合金樣品。
參數設計
以FLOW-3D進行數值模擬來確認加工參數。通過改變掃描速度、掃描間距和層厚等參數，模擬出不同參數下元素Nb的熔池變化情況。當掃描速度降低時，熔池的幾何尺寸增加，熔池的液面下降。在速度為300mm/s時，熔池的瞬時最高溫度為4261K，且成功完成SLM成形。當速度下降到200mm/s時，液面凹陷，成形效果較差。
展開 高熵合金、中熵合金低周疲勞加載下的變形機理
此外，通過對位錯柏氏矢量的確定，發現位錯墻、迷宮和胞結構中的位錯具有不同的柏氏矢量，這表明除了交滑移外，多重滑移也是位錯墻（迷宮和胞）結構形成的原因之一。
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。
展開 哈工大《JMST》：激光重熔技術制備細晶高強中熵合金！
(HEAs)
和中熵合金
(MEAs)
是由等摩爾或接近等摩爾比的幾種元素組成的合金。
中南大學《JMST》：SLM制備出抗拉強度1GPa耐腐蝕的中熵合金！
因此SLM往往能夠提高合金元素固溶度，形成過飽和固溶體，產生的胞狀亞晶結構是極其獨特的，可以強烈地改變機械性能。不銹鋼(
SS
)是工業和日常生活中應用廣泛的材料之一。不銹鋼的結構類型多樣，如奧氏體、鐵素體或雙晶，而Cr是決定其整體耐蝕性的關鍵元素。研究表明腐蝕動力學與溶解在SS基體中的Cr含量成反比，但是Cr的過度合金化不可避免地導致Fe-Cr σ相沿晶界或晶界方向析出，使材料在受力時不可避免地集中晶間應力，材料脆性增加。在SS中Cr含量通常限制在17-22 wt.%。如何解決腐蝕-機械性能這一問題，一直是科學和工程領域面臨的挑戰。
中南大學的研究人員結合SLM AM技術和高/中熵合金(H/MEA)的新合金化策略，為制備細晶Cr過飽和不銹鋼Fe-Cr-Ni三元合金奠定了基礎。采用近等原子原理，FeCrNi MEA的平均Cr含量達到35 at.%的突破水平。在沒有σ相析出的情況下，SLM成功構建了MEA材料，并測試了其力學性能和耐蝕性。
展開 重大《Scripta Materialia》：高熵合金中兩種尚未報道的位錯墻！
了解位錯墻的核心結構對于深入理解變形過程中的微觀結構和性能變化是必不可少的。例如，位錯墻中位錯的排列和Burgers矢量已被用于評估臨界剪切應力，并解釋位錯墻強化或軟化效果。有研究顯示，在高熵合金中位錯墻運動可能促使局部應力釋放或增強應變可淬性，位于界面的位錯墻會影響位錯的滑移，進而影響材料強度和可塑性。雖然位錯墻有多種影響，但是針對高熵合金位錯墻鮮有報道。
重慶大學等單位的研究人員通過研究Fe42Mn38Co10Cr10高熵合金，發現了兩個迄今沒有報道過的位錯墻，分析了位錯墻對應變硬化和塑性的影響。相關論文以題為“Martensitic transformation induced dislocation walls in Fe42Mn38Co10Cr10 high-entropy alloy”發表在Scripta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113929
本文使用的Fe42Mn38Co10Cr10高熵合金，經過鑄造、軋制和退火。研究發現退火后的HEA樣品中存在FCC單相，其晶格參數a=3.62 。經過22%室溫壓縮后，XRD結果出現了其他峰，觀察發現是HCP結構且具有不同的堆垛順序，晶格參數a=2.56 ，c=4.17 。經EBSD結果證實冷變形能夠引起的FCC母相向HCP相發生馬氏體相變。
展開 《PNAS》：揭示磁性和短程有序在高熵合金中的重要性！
Ritchie等研究者
發現磁驅動的短程有序可以解釋CrCoNi中的異常測量，
它起源于磁性，包括類似自旋Co-Cr和Cr-Cr對之間的斥力，這是由第二近鄰Cr原子形成的磁性排列的子晶格所補充的。相關論文以題為“Magnetically driven short-range order can explain anomalous measurements in CrCoNi”發表在PNAS上。
論文鏈接：
https://www.pnas.org/content/118/13/e2020540118
多主元合金(MPEAs)，包括高熵合金，近年來受到了廣泛的研究，因為它們提供了一個實際上無限的設計空間，在迄今為止探索的一小部分中，已經產生了幾種有前景的材料。特別是，由三維過渡金屬組成的面心立方(fcc)體系，即等摩爾(Cantor)合金CrMnFeCoNi及其衍生物，已經進行了大量的研究。這些表面無序的fcc MPEAs，顯示出高度理想的力學性能組合，這主要歸因于變形機制可以通過精細控制合金參數，如化學成分甚至磁性結構來調節。在這類材料的工程中，另一個潛在的重要因素是，原子尺度短程有序(SRO)的存在。在這方面，研究者對等原子CrCoNi合金給予了特別的關注，這是一種值得注意且具有代表性的系統，與五組分CrMnFeCoNi相比，它具有較強的耐低溫損傷能力和普遍的力學性能優勢。
Tamm等人，通過對晶格密度泛函理論(DFT)的蒙特卡羅(MC)優化模擬，從理論上首次驗證了CrCoNi中的SRO。盡管在統計抽樣方面有很大的局限性，但這些計算顯示了以犧牲Cr-Cr對為代價，增加Cr-Co和Cr-Ni相鄰的總體趨勢，盡管這在X射線吸收精細結構分析中，得到了定性支持。
展開 Acta Mater：梯度納米結構高強高韌金屬動態變形機理
圖2.多尺度晶粒結構中熵合金的優越動態性能和動態變形的微結構機理
— END —
精彩！2020年金屬材料領域，15篇《Nature》、《Science》！
該項研究突破了人們對傳統晶體生長機理的認知，發現在聚離子液體存在的環境中，不斷的攪拌會讓晶體生長的更快、更大。為簡單、高效合成高質量的單晶提供了新思路。
12、今日《Nature》重要突破！一種改善中高熵合金性能的新途徑
本文中研究人員通過實驗直接觀察到了短程有序結構，這種獨特的結構可以起到很好的強化效果，提高合金的層錯能和硬度。觀察了CrCoNi中熵合金中短程有序結構特征，提供了化學短程有序（SRO）結果的定量可視化，研究了該SRO對MEA/HEA材料力學行為的直接影響，發現這種數量級的增加會引起更高的堆垛層錯能（SFE）和硬度。可以通過調整熱力工藝參數來改變納米級的局部有序度，從而為調節中熵合金和高熵合金的機械性能提供新途徑。
13、《Nature》重磅：接近A4紙大小！世界上最大的單晶金屬箔誕生
大型單晶金屬箔有巨大的潛在應用，制備具有不同晶面指數的大型單晶金屬箔一直是材料科學的重點研究方向之一。在單晶金屬箔中，高指數晶面在原理上較完整，能夠獲得更豐富多樣的表面結構和性能，但是控制并制備具有高指數晶面的單晶箔非常困難。本文創造性提出晶體表界面調控的“變異和遺傳”生長機制，在國際上首次實現種類最全、尺寸最大的高指數晶面單晶銅箔庫的制造，發現金屬箔中的應變能和表面能是退火過程中異常晶粒生長的競爭性驅動力。
14、馬普所最新《Nature》：增材制造1.3GPa強度，10%延伸率的新型鋼材！
激光增材制造的部件經歷了大量的循環再加熱，研究者可以利用快速淬火、順序原位加熱和局部相變來制造層狀微觀結構，實現對馬氏體形成和析出的精確、局部控制，從而控制力學行為。研究的材料具有1300MPa的抗拉強度和10%的延伸率。
展開 傳統領域再登《Nature》！首次給出直接觀察證據
時至今日，合金已經演變到中熵合金和高熵合金，并且此類材料的研究一直是方興未艾。組成元素之間的焓相互作用也預期在常溫下會形成不同程度的局部化學有序。在局部化學有序中，化學短程有序(CSRO)是最難破譯的，迄今為止，這些材料中CSRO的確鑿證據一直是懸而未決。
在此，來自清華大學的朱靜&中國科學院力學研究所的武曉雷&西安交通大學的馬恩等研究者通過研究發現，使用適當的區域軸微/納米束衍射，以及通過透射電子顯微鏡的原子分辨率成像和化學映射，可以明確地觀察到在面心立方VCoNi濃縮溶液中的CSRO。
首次給出了中熵合金存在CSRO以及CSRO與位錯交互作用的直接觀察證據。
相關論文以題為“Direct observation of chemical short-range order in a medium-entropy alloy”發表在Nature上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03428-z
在此，研究者選擇V-Co-Ni作為模型體系，因為V-Co、V- Ni和V-Co-Ni的平衡相圖，顯示了二元和三元金屬間化合物在一定溫度和成分范圍內的變化。VCoNi MEA，此前研究認為是一個面心立方(fcc)的室溫隨機固溶體，因此，是一個亞穩相但具有很大可能性的局部化學有序。具體來說，研究者假設這種單相fcc MEA偏好V?Co和V?Ni鍵，同時避免V?V鍵。然而，要直接觀察這樣的CSROs是出了名的困難。因此，研究者設計了系統細致性的實驗，以避免數據擬合和/或多種其他可能的解釋。
通過透射電子顯微鏡(TEM)觀察，如圖1a所示，顯示了VCoNi MEA中的雙相組織。
展開 高熵合金超導體 || 福岡工大教授告訴你什么是未來黑科技！
Jiro Kitagawa在綜述中討論了bcc和hcp高熵合金超導體的δ(組成元素之間原子半徑的不匹配性)和VEC(每個原子的價電子數)對Tc(超導臨界溫度)的相關性(圖2a和2b)。在價電子數約為4.5時，bcc高熵合金超導體的Tc出現了一個寬峰。當價電子數降低到7時，幾乎所有hcp高熵合金的Tc都顯示增強的趨勢。bcc結構的穩定性在δ高達約10的時候時都是趨于穩定的；另一方面，δ似乎對HCP的相穩定性容差很小。在bcc型高熵合金超導體中，超導態對δ具有較強的抗干擾性。
Jiro Kitagawa在綜述中還討論了基于e/a和VEC的bcc和hcp高熵合金超導體的相選擇問題。e/a是每個原子中的平均巡游電子數。bcc超導體和hcp高熵合金超導體的相選擇圖如圖3所示。同時考慮e/a和VEC可能有助于材料的設計。
Jiro Kitagawa在綜述中匯總了不同晶體結構高熵合金超導體的超導臨界溫度,Tc(K)。bcc高熵合金的超導臨界溫度介于2.8~8.5K之間；hcp高熵合金超導臨界溫度介于2.1~6.1K之間。
[延伸閱讀：金屬超導體的超導臨界溫度通常很低，根據巴丁的理論預言，常規超導體的臨界溫度不超過30K，而1986年以后發現的銅氧化物的超導臨界溫度最高記錄達到136K。——引自中科院物理所網站，超導體的“面子”，作者羅會仟。]
展開 
河南省3D打印產業技術創新戰略聯盟成立
△清華大學王生進教授報告題目為《人工智能與3D打印技術》
△西北工業大學楊延清教授報告題目為《具有優異綜合力學性能的無Co中熵合金Ni46Cr23Fe23Al4Ti4》
△同濟大學鄭學倫教授報告題目為《3D打印材料應用及未來發展方向》
△天津大學羅震教授報告題目為《基于大數據的全球3D研究進展》
△常州大學潘太軍教授報告題目為《新型材料應用》
△新鄉學院劉鵬飛教授報告題目為《金屬電弧增材制造關鍵技術與材料研究》
△上海聯泰科技副總經理汪超報告題目為《增材制造的未來方向》
△華曙高科曾巍博士報告題目為《自助創新加速增材制造產業化》
各位專家從科研、技術、就業、創業等多個維度為學生們帶來了一場場精彩報告。此外，在舉行論壇的過程中，與會嘉賓還參觀了新鄉學院的3D打印實驗實訓中心及參展企業展臺。
南極熊相信，河南省3D打印產業技術創新戰略聯盟的成立將助力形成眾多產學研成果，將為新鄉學院加速轉型發展提供強大動力，為地區和行業經濟轉型升級，實現高質量發展提供創新驅動力。
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展開 金屬所《JMST》封面：共晶高熵合金K-S界面主導的位錯滑移連續性及其強塑性
Liaw、馬秀良
通訊單位： 中國科學院金屬研究所
DOI: 10.1016/j.jmst.2020.04.073
全文速覽
共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1可以實現強度和塑性的優良匹配且兼具共晶合金優異的鑄造、成型性能，因而成為高熵合金中的熱門研究體系。合金中大量存在的兩相界面必然對合金的塑性變形行為產生至關重要的作用，而合金的兩相界面特性及其對合金塑性變形的影響及作用機制尚未得到充分認識。本文精細解析了合金兩相界面的取向關系、界面結構，揭示了變形過程中兩相的變形機制，并發現一方面合金中界面可以通過阻礙位錯運動來強化合金，為合金提供足夠強度，另一方面其界面原子尺度結構特征及界面兩側兩相的滑移體系對稱性有利于合金中部分位錯穿越界面實現滑移傳遞，使合金具有良好的塑性。
背景介紹
高熵合金因其成分的多組元特性展現出很多獨特的性能，例如優異的斷裂韌性、疲勞性能、抗腐蝕和抗輻照性能，其作為最有潛力的新一代結構材料得到科研人員的廣泛關注。
高熵合金的晶體結構常表現為單相面心立方（FCC）結構或單相體心立方（BCC）結構。一般而言，單相FCC結構的高熵合金塑性好但強度低，而單相BCC結構的高熵合金強度高但延展性差，因此單相固溶體高熵合金很難平衡強度與塑性。
展開 重磅：材料之美，第八屆材料微結構大賽結果公布！
材料：Ti基中熵合金室溫拉伸10%變形后的樣品。儀器：TalosF200X場發射透射電子顯微鏡。描述：在低密度、高性能的新體系Ti基難熔中熵合金研發中，通過表征變形行為來明確其強韌化機理。室溫拉伸應變為10%時，合金中發現了位錯通道。平面滑移位錯與位錯相互作用產生了位錯通道壁，壁處位錯的交割與Frank-Read位錯源促使了位錯的增殖與存儲；另一方面位錯通道間存在應力屏蔽的作用，螺位錯可以在位錯通道進行交滑移。因此位錯通道在變形中起到了加工硬化與協調變形的作用，可實現難熔中熵合金強度和塑性的魚與熊掌兼得。白色凸顯位錯的流動性，紫色增添位錯的隱秘性，二維平面的位錯只是其三維空間的冰山一角，謂之幻象。位錯于合金，如河流之于山川，或受阻起伏綿延，或在通道間肆意奔流，謂之變幻。它們又流向何方呢？對位錯盡頭的探索又何嘗不像人類逐日、尋求宇宙的奧秘呢？材料微觀與宇宙宏觀虛實結合，求索之途，如同身處“幻”中。【評語】將位錯之于合金，比作河流之于山川，體現材料微觀與宏觀世界的結合，實現科學性與藝術性的統一，富有想象的美感，但對于局部結構做了過多處理。//圖片描述精確，寓意貼切，但圖片整體簡單，配色生硬，缺乏科學藝術感。//作品清晰度較高，微觀位錯可清楚辨認。材料隸屬于熱門的高熵合金領域，在低密度、高性能的新體系Ti基難熔中熵合金中，通過表征變形行為來明確其強韌化機理。室溫拉伸應變為10%時，大量位錯通道并在場發射透射電子顯微鏡中呈現，場面震撼，完美地結合了科學性和藝術性，讓人們在宏觀和微觀的相似變幻中體會宇宙自然的奇妙，感受材料世界的魅力，具有很高的科普價值。透射電鏡下的位錯排列具有特色，此作品留給人們很大的想象空間。//圖片顏色選取過于暗淡，主題模糊，過于扁平，沒有給人山巒起伏之感，可以適當運用虛實結合的方法，增加亮點。
展開 同時提高合金強塑性
高熵合金，具有較高的拉伸延展性和優良的韌性，但室溫強度較差。
