導(dǎo)讀：由于高熵合金( HEAs )具有大的化學(xué)復(fù)雜性和高的結(jié)構(gòu)熵，人們逐漸認(rèn)識到局部化學(xué)有序( LCOs )的存在是高熵合金的共同結(jié)構(gòu)特征。高熵合金中LCOs的形成和表征，以及關(guān)于這一主題的挑戰(zhàn)在我們之前的觀點論文中進行了討論。本文強調(diào)了LCOs對物理和機械性能的顯著影響。此外，還將總結(jié)和探索如何通過操縱這些LCO來改善性能的努力。顯然，本文試圖從高熵合金固有的原子尺度結(jié)構(gòu)織構(gòu)的角度來理解其獨特的性質(zhì)，并最終在其突出的性質(zhì)和鮮明的結(jié)構(gòu)特征之間建立聯(lián)系。

高熵合金( HEAs )是由多種主元組合而成，由于其在極端條件下的巨大應(yīng)用潛力而受到廣泛關(guān)注。這種革命性的合金設(shè)計范式為特定應(yīng)用提供了調(diào)節(jié)性能的異常大的成分靈活性，并催生了從高熵合金、高熵鋼、高熵磁性材料、高熵金屬間化合物到高熵稀土磁熱合金等多種先進金屬材料。所設(shè)計的高熵合金表現(xiàn)出突出的力學(xué)和物理性能，包括超過大多數(shù)純金屬和合金的超高斷裂韌性，與結(jié)構(gòu)陶瓷和一些金屬玻璃相當(dāng)?shù)膹姸龋瑢?dǎo)電性和顯著的耐腐蝕性。盡管如此，高熵合金中獲得獨特性質(zhì)的潛在機制仍遠(yuǎn)未得到很好的理解，盡管由高組態(tài)熵產(chǎn)生的簡單效應(yīng)被廣泛傳播，即高熵、嚴(yán)重的晶格畸變、緩慢的擴散和雞尾酒效應(yīng)。

在凝固過程中，混合的構(gòu)型熵通常超過化合物形成的焓，并最終穩(wěn)定固溶體而不是金屬間化合物。因此，高熵合金通常具有簡單的相組成，其性質(zhì)很難直接從微觀尺度上的結(jié)構(gòu)特征來解釋。假設(shè)高熵合金中各種類型的組成原子隨機分布在晶體學(xué)點陣位置，消除了溶質(zhì)-溶劑的差異。由于(例如,不同的原子尺寸,電子結(jié)構(gòu),混合焓等。)具有較大的化學(xué)復(fù)雜性，不可避免地會產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變。更復(fù)雜的是，在這些成分復(fù)雜的固溶體中，哪些組成元素占據(jù)了哪些晶格位置仍然是未知的。換句話說，在原子尺度上深入了解高熵合金的內(nèi)在結(jié)構(gòu)屬性是充分理解其獨特性質(zhì)和結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的前提。

人們在這方面付出了巨大的努力，逐漸形成了一種共識，即局部化學(xué)有序( LCO )是研究高熵合金獨特性質(zhì)的重要途徑。在具有高組態(tài)熵的體系中，LCOs的形成在熱力學(xué)和動力學(xué)上都是有利的，這被認(rèn)為是高熵合金的共同結(jié)構(gòu)特征。LCOs的形成機理及其實驗表征所面臨的挑戰(zhàn)在我們先前的觀點論文中進行了討論。在這里，我們將重點介紹LCOs的實驗表征的最新進展，其次是LCOs的重大影響和增強性能的設(shè)計策略。

北京科技大學(xué)呂昭平教授團隊針對上述問題作了研究，高熵合金中原子的排列并不是理想的無序狀態(tài)，因為原子半徑的多樣性和組成元素之間的復(fù)雜相互作用通常會導(dǎo)致LCO結(jié)構(gòu)在凝固或熱處理過程中形成。就高熵合金中考慮的LCO而言，即使構(gòu)型熵在相形成的熱力學(xué)中占主導(dǎo)地位，也需要考慮組分之間的化學(xué)相容性（例如，混合焓的影響）。因此，通過添加與組成組分具有強烈化學(xué)親和力的溶質(zhì)或調(diào)整熱處理工藝，可以在一定程度上增強化學(xué)分布的不均勻性。高熵合金中的LCO是一種常見的缺陷結(jié)構(gòu)，它會產(chǎn)生局部固有屬性的變化（例如，堆疊斷層能量和勢能勢壘），從而顯著改變位錯運動和倍增。在這方面，調(diào)節(jié)高熵合金中的LCOs為調(diào)控高熵合金的物理和力學(xué)性能提供了一種新的途徑，這應(yīng)該是該領(lǐng)域的重要研究課題。相關(guān)研究成果以“Enhancing properties of high-entropy alloys via manipulation of local chemical ordering”為題，發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223008435

圖1EXAFS譜在Ni、Co和Cr的K邊測量，表明在Co Cr Ni MEA中Cr原子與Ni和Co鍵合良好。

圖2通過先進的TEM技術(shù)揭示了典型fcc高熵合金中的LCO。Co Cr Fe Mn Ni和Co Cr Fe Ni Pd高熵合金中各元素原子分?jǐn)?shù)的( a , b) Line profile取自各自的EDS圖譜；( c ) Co Cr Fe Ni Pd高熵合金中各元素局部濃度分布對比；( d , e)分別為淬火態(tài)和時效態(tài)Co Cr Ni樣品的能量過濾衍射圖譜和強度；( f , g)分別為淬火態(tài)和時效態(tài)Co Cr Ni樣品的典型高分辨TEM照片。

圖3通過結(jié)合多種TEM技術(shù)同時解析LCOs的結(jié)構(gòu)和組成信息。( a ) Co Ni V中fcc相以[ 112 ]區(qū)為軸的晶格像及對應(yīng)的FFT花樣(插圖)。( b , c) Inverse FFT圖像顯示了局部LCO配置的LCO區(qū)域和單位周期。( d )顯示元素分布的EDS圖譜，表明元素在交替原子平面上的特定富集。( e-g )采用同樣的方法得到時效態(tài)bcc Ti - Zr - V - Nb - Al高熵合金樣品中存在LCO的證據(jù)。( h ) Zr - X對的徑向分布函數(shù)曲線表明存在富Zr - Al的LCO。

圖4Co Cr Ni MEA中LCO檢測衍射花樣的數(shù)據(jù)挖掘，涉及4個步驟。( a )數(shù)據(jù)采集，( b )納米簇檢測，( c )模式分組，( d )模板識別和優(yōu)化。

圖5通過3D - APT重建兩種具有代表性的bcc HEAs 中OOCs的元素分布和數(shù)密度。( a , b)重建了( Ti Zr Hf Nb ) 98O2高熵合金中3.0 at . % O的等值面和相應(yīng)的成分分布，揭示了OOCs中Ti的過量和Zr的輕微富集。( c、d)在Ti53Zr30Nb14O3中對6.5 at . % O進行等值面重構(gòu)和聚類分析重構(gòu)。

圖6在( Ti Zr Hf Cu Ni ) 83.3 Co16.7高熵合金中，納米尺度的局部化學(xué)波動誘導(dǎo)了超滯后的馬氏體相變。( a )通過APT的代表性局部區(qū)域的原子分布，顯示出尺寸約為5 nm的化學(xué)異質(zhì)性。( b )馬氏體變體隨外載荷的演化，表明馬氏體的快速生長受到抑制，馬氏體變體被限制在納米尺度內(nèi)。

多年來，廣泛的研究致力于通過使用各種先進的表征方法來解碼微觀結(jié)構(gòu)和理解高組態(tài)熵產(chǎn)生的實際效果，試圖在高熵合金的內(nèi)在結(jié)構(gòu)特征與其獨特的性能之間建立穩(wěn)固的聯(lián)系。由于高熵合金的化學(xué)復(fù)雜性(例如,不同的原子尺寸,電負(fù)性,混合熱等。)和組成元素之間復(fù)雜的相互作用，在能量上有利于LCOs的形成，這被證實是高熵合金的內(nèi)在結(jié)構(gòu)特征。在此，我們簡要總結(jié)了LCOs對物理和機械性能的影響，并展示了如何通過合金化和/或熱機械處理操縱這些局部結(jié)構(gòu)實體來提高整體性能。希望我們的簡要綜述能夠啟發(fā)有見地的思考，充分認(rèn)識到高熵合金結(jié)構(gòu)特征的重要性，從而推動該領(lǐng)域的快速發(fā)展。