高熵合金的優良性能和應用研究

賈云柯，杜艷晶，孫翠娟

（1.華北理工大學以升創新教育基地，河北 唐山 063210；2.華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063210）

高熵合金的出現，打破了傳統合金的發展框架，是一種創新的合金，具有學術研究意義和很大的工業發展潛力。高熵合金是由5種～13種主要元素組成，每種元素的原子分數控制在5%～35%之間、合金的性質是多種元素集體性能的綜合體現。目前研究最多的高熵合金一般為多主元，經熔煉、燒結等方法制成具有金屬特性的合金。主要有FCC、BCC和HCP三大類固溶體高熵合金，其中HCP高熵合金較為鮮見[1]。不僅如此，高熵合金通過不同分元素配制可以獲得種類繁多的新型合金。如今，高熵合金的研究深入到合金元素對高熵合金微觀組織與性能的影響、密排六方結構高熵合金等方面，在高熵合金已研究方向的深入與未研究方向的拓展成為了關注的熱點[2]。

1 多主元高熵合金的研究進展

高熵合金中主要元素的增多使合金產生高熵效應，合金傾向于形成簡單的BCC或FCC，同時可能伴有第二相的生成，從而起到固溶強化、第二相強化的效果，使高熵合金的性能更加優越。

1.1 高熵合金的性能

1.1.1 力學性能

Tong等人研究了鋁元素對CoCrCuFeNi五元高熵合金性能的影響，結果表明：隨著鋁元素含量的增加，合金系的硬度由CoCrCuFeNi合金的133HV增加到CoCrCuFeNiAl合金的655HV。這是由于合金中不斷生成強硬的BCC相以及Al原子引起的固溶強化和納米相第二相強化導致的。周云軍等人發現：Ti元素的加入，合金的強度得到明顯提高，并且高熵合金表現出優異的綜合力學性能。

何俊陽等人分別測試了FeCoNiCrMn高熵合金在兩種晶粒尺寸情況下的動態壓縮、拉伸以及扭轉性能，發現在這三種模式下，高熵合金均具有優良的綜合動態強度及塑性。浙江大學陳陳旭以三種常見的高熵合金作為研究對象，通過高熵合金微觀變形機理對高熵合金的塑性進行了一定的證明。Chen等人研究了元素Ti和V對Al0.5SCoCrCuFeNi高熵合金耐磨性的影響。結果發現：不同的Ti、V含量對耐磨性產生不同影響。

1.1.2 化學性能

Huang等人采用等離子噴涂的方法在氧化鋁基材上制備出兩種高熵合金涂層，測試涂層高溫下的增重，得出高熵合金的氧化性。福建大學張華等人用真空電弧爐法制備三種高熵合金，測定出合金的抗高溫氧化性和高溫腐蝕性能，探索出高熵合金中Si和Ti對高溫氧化和高溫腐蝕特性的影響。

Lee等人研究了鑄態AlSCoCrCuFeNi高熵合金在1mol/L硫酸溶液中的腐蝕行為，發現了高熵合金的耐腐蝕性。王龍等人采用等離子體五靶磁控濺射方法在X80基體上制得高熵合金耐蝕涂層，發現退火處理可釋放部分涂層內應力，提高涂層耐局部腐蝕性能。鄭州大學房偉峰等人研究了CuCrFeNiMn基高熵合金的微觀組織和耐腐蝕性能等。

1.1.3 物理性能

北京科技大學左婷婷等人[3]在CoFeNi上添加A1、Si，設計出CoFeNi(AlSi)x系高熵合金，發現CoFeNiMnAl合金具有最高的飽和磁化強度。對于鑄態下的CoFeNiMnAlx系合金，等原子比時達到最大值。過量鋁元素會對合金的飽和磁化強度起到削弱作用，并且同金屬中，FCC相有利于飽和磁化強度提高。

中國科學院物理研究所郭靜副研究員等人對具有體心立方結構的高熵合金樣品的超導電性進行了系統的原位超高壓研究，發現該合金在壓力下具有穩定零電阻的超導電性。S.Vrtnik指出不同組分TaNbHfZrTi系高熵合金在不同熱處理條件下都存在超導現象，有序納米結構、短程原子對的出現使臨界溫度略有不同。Yih-Farn Kao等人通過對四個不同原子濃度組分數的樣品進行不同熱處理，研究TaNbHfZrTi高熵合金HEA的超導電性，發現不同組分合金在不同熱處理下的都存在超導現象。

1.2 高熵合金的組織結構

1.2.1 以固溶體為主

臺灣清華大學的Tong等人通過添加不同含量的Al元素對ACoCrCuFeNi系高熵合金的組織結構及機械性能進行研究。結果發現，Al元素含量的變化對合金的結構產生了一定的影響。當Al含量小于0.5時，合金為單一的FCC結構；當Al含量達到0.8時，會發生共晶轉變，合金表現為FCC和BCC組成的混合結構；當Al含量高于1.0時，會發生調幅分解，合金中有納米相生成；直到鋁含量大于2.8時，合金形成單一的BCC固溶體。

1.2.2 含有中間相

Canto等人研究了等原子比的16組元(Co，Cr，Fe，Mn，Ni，Cu，Ag，W，Mo，Nb，Al，Cd，Sn，Pb，Zn，Mg)和20組元(Co，Cr，Fe，Mn，Ni，Cu，Ag，W，Mo，Nb，Al，Cd，Sn，Pb，Zn，Mg，Bi，Ge，Si，Sb)的高熵合金的組織結構，結果發現：與CoCrFeMnNi高熵合金相比，這兩種合金的組織中有復雜的脆硬相共存現象。Hsu等人研究了金屬元素硼對CuCoNiCrAl0.5Fe高熵合金的影響，研究結果表明：硼元素添加會使合金中析出多種富含Fe、Cr的硼化物，并且隨著硼元素含量的提高，硼化物數量會逐漸增多，合金的有序化程度也相應提高。

1.2.3 非晶組織

對于傳統合金而言，特殊的熱處理條件才能析出納米結構相，但是對于高熵合金而言，鑄態和完全回火態就能析出納米相甚至非晶組織，結合相關的研究猜測此現象是由晶格畸變效應和緩慢擴散效應綜合影響的。

2 展望

高熵合金作為一種新型金屬材料，具有優良的性能，未來擁有廣闊的發展前景。目前，國內外學者已在高熵合金的性能與組織結構等方面有一定的研究，并在合金的成分與制備工藝上取得新進展。然而，高熵合金的實際應用仍很少見，其主要原因仍在于制備工藝復雜、效率低、成本高等。不僅如此，高熵合金的性能、使用條件、應用領域等方面研究還不夠完善，仍需要進一步深入與細化。此外，由于金屬元素種類繁多，合金組成各種各樣，只研究一種或兩種元素添加對高熵合金的影響過于片面。因此在未來的研究當中，高熵合金的性能指標影響因素應進行合理的完善與總結。