在現代能源工業和航空航天工程中，迫切需要具有突出高溫性能的先進結構材料來提高能源效率和可靠性。高熵合金的多主元設計策略為更優性能組合提供了前所未有的可能性。其中，多組分L1₂沉淀強化的塊狀高熵合金在結構材料領域引起了廣泛的興趣。例如，將具有優異熱穩定性的多組分L1₂沉淀顆粒與延展性面心立方基體結合在一起，可以實現優于傳統鎳基和鈷基高溫合金的綜合機械性能。然而，與大多數結構材料一樣，多晶結構的高熵合金也面臨著嚴重的中溫脆化以及高溫下快速軟化和氧化問題，這極大地限制了其在現代工業中的應用。值得注意的是，單晶的合成的方法提供了一條有效的途徑來消除晶界的不利影響，這有望大大提高合金的耐溫能力。然而，目前高熵合金研究主要局限于多晶結構，對單晶高熵合金及其性能的研究還有所欠缺。

基于此難題，香港城市大學楊濤等研究者設計了一種基于 Co-Ni-Al-Ta-Cr-Ti體系的新型單晶沉淀強化高熵合金，在1250度的高溫處理后仍然維持了高體積分數的多組分L1₂析出顆粒，并顯示出了非常優異的機械性能和抗氧化性能。相關成果以“A novel single-crystal L1₂-strengthened Co-rich high-entropy alloy with excellent high-temperature strength and antioxidant property”為題，于2023年02月01日發表在國際知名期刊《Journal of Materials Research and Technology》上。論文通訊作者為香港城市大學楊濤教授，第一作者為博士生肖維城和博士后劉少飛。合作者包括香港城市大學開執中教授，哈爾濱工業大學趙怡潞教授，劉興軍教授等。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785423001849?via%3Dihub

圖1. (a)沿單晶高熵合金軸向截取的拉伸樣品示意圖。(b)和(c)拉伸樣品的頂面和軸向面的EBSD圖像。(d)和(e)顯示高密度納米沉淀的SEM圖像。(f)L1₂沉淀顆粒直徑直方圖。

圖2. (a)暗場TEM圖像。(b)基質和顆粒之間界面的HR-TEM圖像。(c)樣品的STEM-EDX元素分布信息。

圖3. (a)樣品在25、800、900和1000°C下測試的工程應力應變曲線。(b)與其他單晶鈷基高溫合金的屈服強度的比較。

圖4. (a)合金在1000°C下氧化100h后的橫截面STEM圖像和相應的元素分布，(b)-(d)STEM中相應區域的HR-TEM圖像。

本文設計的一種新型L1₂析出強化單晶高熵合金在高溫下表現出拉伸性能和抗氧化性能的完美結合。優異的機械性能歸因于高體積分數的多組分L1₂沉淀顆粒和晶界的缺失。此外，在各種元素的共同作用下形成的連續氧化層，即使在1000℃的高溫下也能有效保護合金免受嚴重氧化。該研究有望為未來開發高溫結構材料提供一種可靠范例。