近年來，對具有優(yōu)異機(jī)械性能和耐氫脆性的新型結(jié)構(gòu)金屬合金的需求日益增加，導(dǎo)致對新合金尤其是高熵合金（HEA）的研究越來越多。首個開發(fā)出的HEA具有約600MPa的強(qiáng)度，熱加工能夠進(jìn)一步增強(qiáng)其強(qiáng)度。大多數(shù)HEA是由四種元素以上組成，具有fcc結(jié)構(gòu)，由于局部區(qū)域的變化，具有不同能量的位置對氫擴(kuò)散具有較大阻力。金屬和合金對氫脆的敏感性與微觀結(jié)構(gòu)以及原子進(jìn)入和遷移到其晶格密切相關(guān)。奧氏體不銹鋼因其低的氫擴(kuò)散率而被稱為最抗氫脆鋼材。因此，富含F(xiàn)e、Mn和Ni(具有fcc結(jié)構(gòu))的HEAs是極有前途的抗脆性金屬合金。

巴西里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)的研究人員制備了Fe20 Mn20 Ni20 Co20 Cr20和Fe22 Mn40 Ni30 Co6 Cr2兩種HEAs，探討了氫擴(kuò)散率與微觀組織之間的相互作用。相關(guān)論文以題為“Effect of alloying elements on the hydrogen diffusion and trapping in high entropy alloys”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113957

本文中Fe20 Mn20 Ni20 Co20 Cr20和Fe22 Mn40 Ni30 Co6 Cr2兩種HEAs均通過氬氣環(huán)境下電弧熔煉制備，通過Thermo-Calc軟件計算凝固過程中存在的析出相，合金凝固后進(jìn)行900℃×1h均質(zhì)處理，再進(jìn)行軋制，厚度減少90%。

通過相圖可以看出兩種HEA凝固后具有fcc結(jié)構(gòu)，隨著溫度降低，兩種合金都可能會形成σ相，在非等摩爾合金中，該第二相的形成溫度與等摩爾合金相比更低。熔煉時由于水冷銅坩堝冷卻較快，所以抑制了低溫相的形成。兩種合金微觀組織均呈現(xiàn)出大量退火孿晶的完全再結(jié)晶等軸晶粒。等摩爾合金的平均晶粒尺寸約10μm，非等摩爾合金的平均晶粒尺寸約50μm。

圖1 兩種高熵合金的相圖、微觀結(jié)構(gòu)和XRD結(jié)果比較

圖2 不同溫度對高熵合金氫擴(kuò)散率的影響

圖3 高熵合金的熱解吸光譜結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)非等摩爾合金的氫擴(kuò)散率比等摩爾合金大3個數(shù)量級，等摩爾合金的氫擴(kuò)散率與奧氏體不銹鋼相當(dāng)。發(fā)現(xiàn)H的擴(kuò)散取決于Cr的濃度，Ni在保證fcc結(jié)構(gòu)中起重要作用，對H擴(kuò)散的影響較低，盡管兩種合金的晶格參數(shù)非常接近，但是H擴(kuò)散率隨Cr濃度的增加而大大降低。

圖4 所研究的六個系統(tǒng)的氫原子領(lǐng)域

圖5 某些鋼的Cr/Ni比值與氫擴(kuò)散率的關(guān)系示意圖

本文研究了Fe20 Mn20 Ni20 Co20 Cr20和Fe22 Mn40 Ni30 Co6 Cr2兩種HEAs中元素含量對氫擴(kuò)散和捕獲的影響，氫擴(kuò)散率隨溫度（300-550℃）而變化，遵循菲克第二定律。本文為高熵合金的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。