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高熵合金領域高被引的11篇文章，給過你那些啟示？

2019-05-21 14:13:48 作者：劉一來源：材料人分享至：

自1996年高熵合金（多主元合金）在論文中第一次被提出后，關于高熵合金的文章如雨后春筍層出不窮。這種新型合金剛被提出時定義為：由等摩爾比的五個或更多元素組成的合金，又要求每個摩爾濃度在5~35%之間。隨著研究的深入，又提出中熵合金和低熵合金的概念，要求也越來越低，成分可以使三種或四種元素混合，摩爾比也可以是非等摩爾，無疑是壯大了多主元合金家族。

高熵合金的各種性能也沒有讓人失望，穩定的單相組織（常見FCC、BCC、HCP）給予它很好的抗腐蝕性能；遲滯擴散效應也賦予了它突出的抗蠕變性能，同時CoCrFeNi基優異的低溫拉伸性能以及ZrHfTaW等難熔金屬優良的高溫壓縮性能，這些性能都給高熵合金替代傳統金屬帶來了可能，使得高熵合金很大的應用前景。

在這里我們詳細介紹高熵合金兩年內高被引的11篇文章，希望這些高質量的文章能祝你更好地理解高熵合金，也給你靈感閃現的瞬間。

No.1 Science and technology in high entropy alloys

亮點：這是2018年由北京科技大學的張勇和美國田納西大學Liaw, Peter K.合作在SCIENCE CHINA-MATERIALS上發表的的一篇綜述，主要指出了HEAs（High Entropy Alloys）的制備方法、組成設計、相形成和微觀結構、各種性能以及建模與仿真計算。此外，還提出了HEAs的未來發展趨勢和前景。

圖一合金化學復雜性隨時間的上升趨勢圖

圖二多主元合金通過對比熵值大小的分類方式

這篇綜述給出了合金化學復雜性隨時間的上升趨勢圖，以及高熵、中熵、低熵的劃分界限（R氣體摩爾常數），高的熵值使它不同于其它合金，更易于形成單一穩定的相。

同時介紹了幾類合成方式，包括液體混合的真空熔煉類：電弧熔煉、電阻熔煉、感應熔煉、激光熔覆等：固體混合的機械合金化以及隨后的固體燒結；氣體混合的濺射沉積，脈沖激光沉積，原子層沉積，分子束外延和氣相沉積等。

圖三 HEAs常溫和高溫下的壓縮性能

這是在常溫和高溫下的壓縮性能，成分多樣化使得合金的適用范圍特別廣泛，在耐高溫、耐疲勞等方面具有傳統合金不具備的優勢。

圖四 AlxCoCrFeNi HEAs的耐輻照性能

同時給出高熵合金與幾種傳統合金在耐腐蝕性能的對比、并解釋出高熵合金在抗輻照性能上所具有的優勢。

No.2 Carbothermal shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles

亮點：這篇文章大家一定不會陌生，曾登上Science的封面，由馬里蘭大學胡良兵、伊利諾伊大學芝加哥分校Reza Shahbazian-Yassar,、約翰霍普金斯大學Chao Wang、麻省理工大學Ju Li（共同通訊）發表。這里提出了一種將多達8種不同元素合金化為單相固溶納米顆粒（稱為高熵合金納米顆粒（HEA NP））。

將前體金屬鹽混合物熱沖擊加載到碳載體上[溫度~2000K，持續時間55Ms，速率~105K/S ]。通過控制碳熱沖擊（CTS）參數（基體、溫度、沖擊持續時間和加熱/冷卻速率），合成了具有所需化學（成分）、尺寸和相（固溶體、相分離）的多種成分納米顆粒。并合成了五元HEA-NP作為氨氧化催化劑，經過長時間的實驗測試，其轉化率約為100%，氮氧化物選擇性大于99%。

圖五 CTS在碳載體上合成HEA-NPs

圖六五元HEA-NPs的元素表征

圖七五元HEA-NPs（PtPdRhRuCe）用于氨氧化的催化性能

No.3 Composition design of high entropy alloys using the valence electron concentration to balance strength and ductility

亮點：通過Ni和Mo來調節價電子濃度價電子濃度（VEC）是形成相的重要物理因素。高VEC有助于形成FCC相并提高合金的延展性，而低VEC有助于形成提高合金強度的BCC相。

圖八通過摻雜高或者低價電子濃度的元素來均衡基體的價電子濃度

為了證明設計了CoCrCuFeNi（FCC）和AlCoCrFeNi（BCC）兩個HEAS為基體合金，其中Ni和Mo為調節VEC元素。

系統地研究了（AlCoCrFeNi）（100-x）Nix和（CoCrCuFeNi）（100-x）Mox的微觀結構、相演變和力學性能。當Ni含量從0%增加到16%時，（AlCoCrFeNi）（100-x）Nix高熵合金（HEA）的相結構由BCC轉變為FCC晶體結構，FCC體積分數從0%增加到85%，壓縮斷裂應變從25%增加到40%，VEC從7.2增加到7.6。隨著Mo含量從0%增加到16%時，（CoCrCuFeNi）（100-x）Mox-HEA的相結構由FCC轉變為BCC，BCC體積分數從0%增加到65%，其壓縮屈服強度從260兆帕增加到928兆帕，VEC從8.8降低到8.3。根據合金的VEC選擇元素是設計強度和延展性平衡的HEA成分的一種實用方法。根據實際應用的需要，平衡強度和塑性需要以下標準來選擇一個用于HEA系統的元件：通過選擇一個低于平均VEC的元素來提高基體強度，而通過選擇另一個高于矩陣平均VEC的元素來提高基體塑性。通過添加Ni和Mo調節價電子濃度，基體的XRD衍射峰以及壓縮性能變化。

圖九（AlCoCrFeNi）100-xNix 和（CoCrCuFeNi）100-xMox的XRD圖樣以及常溫下壓縮曲線

No.4 Thermodynamic instability of a nanocrystalline, single-phase TiZrNbHfTa alloy and its impact on the mechanical properties

亮點：這篇文獻的研究結果對原TiZrNbHfTa合金的相態及其對力學性能的影響有了新的認識。此外，初始的單相合金可能是合成復雜納米復合材料結構的實用基礎。通過選擇合適的退火時間和溫度來優化強度和延性之間的權衡，可以調整各個相的體積分數。

一種等原子單相TiZrNbHfTa高熵合金經高壓扭轉處理，晶粒尺寸小于100nm。在材料中引入納米晶體微觀結構有助于加速材料的相分解，因為這種材料具有大量快速擴散路徑和晶界形核位置。為了測試納米晶高熵合金材料的熱力學穩定性。在300℃和1100℃之間進行了各種熱處理。500℃退火1h導致硬度從未熱處理的420Hv增加到的530Hv，而在700℃下硬度低于未熱處理態。因原等摩爾單相高熵合金的相分解為富NbTa BCC相和富ZrHf相，這兩種不同的晶體結構取決于退火溫度，是導致性能變化的主要原因。所得結果不僅為TiZrNbHfTa合金的相穩定性提供了有價值的新見解，而且證明了新形成相對力學性能的影響及其對該合金可能實際應用的意義。

圖十高壓扭轉后TiZrNbHfTa的微觀組織和壓縮性能

NO.5 Aging behavior of the HfNbTaTiZr high entropy alloy

亮點：本文將鑄態HfNbTaTiZr在1200℃均化、600～1000℃退火1～100h，然后對其組織和顯微硬度進行了研究。同時分析了第二相粒子析出對顯微硬度的影響。研究了600-1000°C退火1-100h對均勻化（1200°C，24h）HfNbTaTiZr合金組織和顯微硬度的影響。結果表明，合金在600℃時效10 h后，顯微硬度由均化狀態下的370 HV提高到500 HV，硬化與合金基體中富HF、Ta HCP顆粒的析出有關。在800℃退火后也觀察到第二個HCP相的形成；但是由于顆粒的尺寸較大，硬化效果明顯較低。在這兩種溫度下，HCP相的含量隨熱處理時間的增加而增加。

圖十一 HfNbTaTiZr 600 °C （a, b）， 800 °C （c, d）在10h （a, c） and 100h （b, d）下的微觀組織和各溫度下的硬度折線圖以及800°和600°100小時下的XRD圖樣

NO.6 Controlled formation of coherent cuboidal nanopreci- -pitates in body-centered cubic high-entropy alloys based on Al2（Ni,Co,Fe,Cr）14compositions

亮點：以Al2M14（M代表四種不同的過渡金屬）的組成式為基礎，研究了Al-Ni- Co-Fe-Cr高熵合金的微觀結構演變、相變、立方形沉淀的形成原因和力學性能。

研究了Al-Ni-Co-Fe-Cr高熵合金（HEAS）通過系統的調節Al2M14 而不是單純的Al來改變基體的的微觀結構和力學性能。評估了不同晶體結構（fcc、bcc或Fcc+Bcc混合物）的形成及其對該系列HEA拉伸和壓縮力學性能的影響。結果表明，在以BCC為主的HEA體系中，有序的B2沉淀在BCC固溶體基體中始終呈連續分布。無序BCC和有序B2之間的晶格失配對這些B2沉淀的形狀有很大影響。通過適當調整M可以獲得均勻分布的立方B2粒子，從而以與鎳基高溫合金相似的方式，估算了不同BCC/B2形貌所產生的強化效應，并與實驗測量結果進行了比較。并根據這些熱分析中晶格失配的情況，討論了作為相干沉淀形狀和尺寸函數的最佳強化。

圖十二 Al-Ni-Co-Fe-Cr高熵合金的微觀組織、拉伸性能和硬化曲線

NO.7 Compositional variation effects on the microstructure and properties of a refractory high-entropy superalloy AlMo0.5NbTa0.5TiZr

亮點：嘗試通過調整AlMo0.5NbTa0.5TiZr基高溫合金的成分，在保持由納米級相組成的等軸晶粒組織的同時，去除粗糙的GB金屬間相。基于Al-Zr二元體系中形成的大量金屬間相以及與其他組分元素相比，HEA組分中存在較大的電負性差異，首次研究并表征了減少Al和Zr對HEA微觀結構的影響。此外，還探討了去除Mo對合金相組成、強度和延性的影響。

AlMo0.5NbTa0.5TiZr基合金在600℃以下具有良好的高溫強度，但金屬間晶界顆粒粗大和連續有序的B2基體相，所以延展性較差。通過系統的成分變化來消除有害的微觀結構并改善力學性能。研究了幾種HEA：AlMo0.5NbTa0.5TiZr0.5、AlNbTa0.5TiZr0.5、Al0.5Mo0.5NbTa0.5TiZr和Al0.25NbTaTiZr均具有有序的B2基體相。此外，在AlMo0.5NbTa0.5TiZr、Al0.5Mo0.5NbTa0.5TiZr和Al0.25NbTaZr中，B2基體晶粒內存在高體積分數的相干BCC納米沉淀， AlMo0.5NbTa0.5TiZr和AlMo0.5NbTa0.5TiZr0.5中存在粗糙的晶界的沉淀BCC納米粒子，室溫時Al0.5Mo0.5NbTa0.5TiZr顯示最高硬度（Hv=6.4Gpa）和強度（σ=2350MPa），在1000℃下顯示中等強度（σ=579MPa）。AlMo0.5NbTa0.5TiZr0.5在1000℃下具有最高強度的（σ=935兆帕），但在25℃下是易碎的。高溫變形在Al0.5Mo0.5 NbTa0.5 TiZr和Al0.25 NbTaTiZr合金中產生了理想的微觀結構，由連續的BCC相和不連續的B2納米沉淀物組成。

圖十三各成分的高熵合金的微觀組織和在室溫和高溫下圧縮曲線

NO.8 Stacking fault energy of face-centered-cubic high entropy alloys

亮點：為了揭示元素組分對層錯能的影響以及層錯能與HEAs的關系，選擇了NiCoCr, FeCoNiCr, FeCoNiCrMn, （FeCoNiCr）94Mn6, （FeCoNiCr）86Mn14 和 Fe20Co15Ni25Cr20Mn20作為研究對象。利用弱束暗場成像技術，對部分位錯對進行了分析，并確定了合金的層錯能。

用弱束暗場透射電鏡對幾種典型面心立方（FCC）高熵合金（HEAS）的層錯能（SFE）進行了實驗測量。研究發現，FeCoNiCrMn HEA體系的SFE主要取決于單個組分的SFE。具體來說，該體系的SFE與合金中的Ni濃度密切相關。此外，較低的SFE有助于在應力作用下形成更多尺寸較小的變形孿晶，從而導致更好的機械性能，尤其是在低溫下。

圖十四幾種高熵合金的中的位錯和位錯寬度、層錯能大小以及拉伸應力曲線

NO.9 High-Entropy Alloys: Potential Candidates for High Temperature Applications - An Overview

亮點：詳細的介紹了用于高溫的HEAs，重點關注了高溫HEAs的研究前沿和應用前景，給出一些研究高溫合金的方法和預測方式。

同樣是一篇綜述，這篇文章主要從開發高溫應用的新型高熵合金，使其具有比高溫合金更高的高溫性能，同樣這也是是高溫材料研究界關注的主要問題之一。研究表明，HEAS有潛力取代鎳基高溫合金作為下一代高溫材料，作者綜述了HEAS的相穩定性、微觀結構穩定性和高溫力學性能，這將有助于材料科學和工程界對高溫應用HEAS的發展和理解有興趣。由于和第一篇綜述稍有重合便不多做介紹，下面是CoCrFeNiAlx鑄態和在1173K以及1373K處理后的顯微結構圖，比較經典。

圖十五 CoCrFeNiAlx鑄態和在1173K以及1373K處理后的顯微結構

NO.10 Microstructure and Mechanical Properties Evolution of the Al, C-Containing CoCrFeNiMn-Type High-Entropy Alloy during Cold Rolling

亮點：研究了Al約為3.4%、C約0.7%的共CoCrFeNiMn型HEA在軋制過程中的變形機理、組織演變和拉伸性能。

化學成分（at%）為Co、Cr、Fe、Ni（20-23）和Mn 8.82、Al 3.37和C 0.69的合金是通過高溫自蔓延合成和隨后的誘導產生的。在初始鑄態條件下，合金具有FCC單相粗晶組織，組織演化主要與軋制過程中相對較低變形時的平面位錯滑移（高達20%）或較高應變下的變形孿生和剪切帶有關。變形量80%后，觀察到嚴重變形的雙晶/亞晶結構。與等原子共晶錳合金相比，冷軋各階段的位錯密度較高，隨后開始變形孿生，這歸因于程序合金中的層錯能增加。在初始鑄態條件下，合金的屈服強度較低為210MPa，但均勻延伸率很高為74%。軋制80%后，屈服強度接近1310MPa，均勻延伸率下降到1.3%。研究發現，在低軋制減薄率（<40%）下，下部結構強化占主導地位，而在高應變下，晶粒（孿晶）邊界強化占主導地位。

圖十六合金在（（a） 5%; （b） 10%; （c,d） 20%; （e） 40%; （f） 60%; （g） 80%.）變形量下的微觀組織和拉伸應力曲線

NO.11 Thermal activation parameters of plastic flow reveal deformation mechanisms in the CrMnFeCoNi high-entropy alloy亮點：從理論上解釋了活化體積的變化趨勢，揭示了速率依賴變形的機理是固溶強化和林位錯硬化。描述了用于獲得活化體積的實驗和分析方法。總結了流動應力與應變率、溫度和塑性應變的具體理論框架為了揭示催化裂化高熵合金塑性變形的作用機理，采用重復載荷松弛實驗，測定了在77K～423K范圍內，CrMnFeCoNi合金的活化體積隨塑性應變和溫度的變化規律。在屈服應力σ（y）下，活化體積在77 K到293 K變化時從60b3變化到360b3相似，與屈服應力成反比。隨著塑性應變的增加，活化體積減小，趨勢遵循Cottrell-Stokes定律，根據該定律，反活化體積應隨σ（y）線性增加。位錯之間的間距減小與林位錯密度增加導致的硬化與活化體積減少的觀點是一致的。活化體積的數值和趨勢與將HEA視為高濃度固溶強化合金的理論預測一致。這些結果表明，這種熱變形是由FCC合金中典型的溶質強化機制造成的，因此，高結構復雜性并不引入任何新的固有變形機制。

圖十七 CrMnFeCoNi應力松弛下的活化能體積