难熔高熵合金的强韧化途径与调控机理

在众多高熵合金中,由5种或5种以上的难熔金属元素,按照等原子比或者近等原子比混合形成的难熔高熵合金,凭借稳定的相结构和优异的高温性能,在高温材料领域具有广阔的应用前景。本文从难熔高熵合金的研究现状出发,综述典型难熔高熵合金的微观组织和相组成、室温和高温力学性能、强韧化机理与力学性能调控,并对未来难熔高熵合金的研究开发进行展望。首先,将难熔高熵合金按照组成相进行分类,分析了难熔高熵合金的微观组织和相组成,然后总结了难熔高熵合金的室温和高温力学性能与强韧化机理,并讨论了3种不同的强韧化方案,即化学成分调控、工艺调控和相结构调控。最后对未来难熔高熵合金的发展进行了展望,并对其未来重点研究方向提出了如下建议：借助计算机等技术,模拟与计算材料的性能与形成相,构建难熔高熵合金的研究平台与数据库;借助组合实验方法,加快筛选新的难熔高熵合金;掌握自上而下和自下而上的实验方法,探究性能优异的新型难熔高熵合金体系。     

难熔高熵合金在反应堆结构材料领域的机遇与挑战

传统反应堆结构材料性能已趋于极限,亟需开发新型材料。难熔高熵合金是以多种难熔元素作为主元的新型金属材料,具有独特的力学、物理和化学性质,尤其在高温力学、抗辐照等方面表现出优异的性能。难熔高熵合金在第4代核裂变反应堆包壳材料、核聚变堆面向第一壁材料等关键领域具有广阔的应用前景。本文结合具有代表性的文献,围绕难熔高熵合金的力学性能、抗辐照性能、抗氧化性能阐述了其强化机制与抗辐照机理,梳理了难熔高熵合金的发展脉络,在此基础上展望了难熔高熵合金在反应堆结构材料领域的应用前景。     

增材制造难熔高熵合金综述

寻求可打印金属材料的研究至关重要。近年来,多种可打印性良好的材料已被发掘出来,如Ti-6Al-4V、FeMnCoCrNi、不锈钢及一些难熔高熵合金。尽管已经获得了诸多可喜结果,增材制造难熔高熵合金依然发展缓慢。由于难熔高熵合金的优越高温性能,复杂成形的需求也日渐高涨。本文主要介绍了增材制造难熔高熵合金的一些研究进展,综述了有关难熔高熵合金激光增材制造、电子束增材制造和丝材增材制造技术,并为后续研究工作提供参考。此外,本文也系统地讨论了有关增材制造难熔高熵合金面临的机遇和挑战。     

放电等离子烧结MoNbTaW难熔高熵合金

以纯金属元素粉末为原料,采用放电等离子烧结工艺制备了MoNbTaW难熔高熵合金,研究了烧结温度和保温时间等工艺参数对MoNbTaW难熔高熵合金的物相、晶体结构、烧结行为和力学性能的影响。结果表明,在烧结温度1800℃和保温5min即可形成BCC单相高熵合金;烧结温度是影响MoNbTaW难熔高熵合金致密度、晶粒尺寸和力学性能的主要因素;随着烧结温度的升高,合金的晶粒尺寸增大,致密度、硬度和和屈服强度均增高;烧结温度为2000℃时合金的致密度可达99.8%,化学成分无偏析,屈服强度为1314±14MPa,断裂韧性为(5～6)MPa.m_1/2,其断裂模式为解理断裂。     

基于成分与力学性能调控的NbTiMoVHf(Zr)Si系难熔高熵合金优化

高温力学性能优异的难熔高熵合金在航空发动机热端部件制造中展示出广阔的应用前景。首先，采用真空电弧熔炼法制备了20种NbTiMoVHf(Zr)Si系难熔高熵合金，并通过维氏硬度和拉伸性能测试确定了具有较好力学性能的合金样品，随后利用X射线衍射和电子背散射衍射等研究了其微结构特征。结果表明：NbTiMoVZrSi系高熵合金的力学性能更优，维氏硬度可达723 HV,抗拉强度可达219 MPa;随着Si含量增加，合金的晶粒尺寸减小，析出更多硬质硅化物，且硬度最高的样品小角度晶界含量较高。     

难熔金属增材制造研究进展

难熔金属具有熔点高、高温性能良好的特点,是发动机、燃气轮机、火箭、导弹等高温服役工况条件下不可或缺的材料,在军事装备领域和国民经济生活中都发挥着十分重要的作用。然而也正是因为高的熔点和导热系数,导致其加工制备十分困难。增材制造技术是近年来发展起来的一项先进制造技术,具有很多独特的优点,为难熔金属的加工提供了一种可选途径。本文概述了钨及钨合金、多孔钽、铌合金、钼合金、难熔高熵合金等难熔金属增材制造方面的研究现状及最新进展,以期为相关领域的研究提供参考。     

难熔金属选区激光熔化技术研究进展

近年来,随着难熔金属的研究与深入,传统工艺难以满足在制备难熔金属及其复杂结构的需求。鉴于难熔金属材料的高熔点和优异的高温力学性能,将其与选区激光熔化技术相结合,将为难熔金属的设计提供更大的弹性和可加工性。本文对难熔金属材料的选区激光熔化技术进行了总结。按照材料分类,对钨合金、多孔钽、钼合金以及难熔高熵合金进行评述。因为选区激光熔化难熔金属对低熔点元素、加工参数等敏感,故总结了这些因素对工艺控制和最终零件质量的影响。最后,归纳了当前研究的优势和不足,并对今后的发展趋势进行了展望。     

第一性原理计算Mo含量及压力对CrZrNbTiMox难熔高熵合金性能的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究Mo含量和压力对CrZrNbTiMo_x难熔高熵合金相结构、弹性常数和弹性模量的影响。计算了CrZrNbTiMo_x难熔高熵合金的混合焓(ΔH_mix)、混合熵(ΔS_mix)、原子半径差(δ)、价电子浓度(VEC)以及参数Ω。结果表明,CrZrNbTiMo_x难熔高熵合金主要以单一的BCC无序固溶体结构为主。随着Mo含量的增加,合金的晶格畸变不断减小,但力学性能稳定且始终以金属键结合。Mo的添加对合金的抗体积变形能力提升较大、对抗切应变能力及刚度影响较小,合金表现为韧性材料。在0～25 GPa压力作用下,CrZrNbTiMo_0.6合金表现出优异的相稳定性和力学稳定性,体弹性模量(B)增幅较小,剪切弹性模量(G)、杨氏模量(E)变化较小;泊松比μ及G/B计算结果表明合金为韧性材料。     

TiZrHfNbSc难熔高熵合金组织和力学性能研究

利用真空电弧熔炼设备制备了新型TiZrHfNbSc难熔高熵合金,利用XRD、SEM、DSC等方法分析了合金的显微组织,利用显微硬度计、微控电子万能试验机测定了合金的硬度及力学性能。研究结果表明：TiZrHfNbSc难熔高熵合金为单一无序的BCC固溶体结构,晶格常数a=3.443?,合金密度约为7.16g/cm_³;合金的维氏显微硬度约380,屈服强度σ_0.2=650MPa,压缩变形率达到60%以上,合金的强化机制为固溶强化。     

高熵合金高温抗氧化性的研究进展

高熵合金在高温下具有优异的力学性能,但在高温下抗氧化性能的不足制约了其实际工业应用.概述了高熵合金的氧化机理,包括氧化动力学规律、氧化行为以及合金元素氧化顺序规律等,归纳了高熵合金在高温下存在的问题.在此基础上,重点综述了近年来高熵合金高温抗氧化性的研究进展.其中,通过添加可生成保护性氧化物的元素可以提高高熵合金氧化层中氧化物的金属原子与其氧化物分子的体积比(Pilling-Bedworth Ratio,简称PBR),进而增强抗氧化性.但在一些特定的高熵合金中,会因其他影响氧化性的因素,降低抗氧化性.如在难熔高熵合金中加入Cr会生成Laves相进而造成晶界间的内腐蚀;含Al高熵合金中加入Ti,在氧化过程中,反而会破坏氧化物层的致密性;含有Laves相的高熵合金中添加Si,会减弱其抗氧化性.1500℃以下的高温环境中,添加超高温陶瓷或者使高熵合金陶瓷化的方法,对高熵合金抗氧化性的提升效果较好,但1500℃以上,这种高熵合金高温抗氧化性能急剧下降.最后从添加有助于生成致密氧化层的元素、引入陶瓷相、制备抗氧化涂层3个方面,对未来抗氧化性高熵合金体系的开发、性能的优化及应用进行了展望.     

轻质高熵合金的研究进展

目前以一种或两种金属元素为主元的传统轻质合金在工业应用上有诸多局限性,如铝合金室温强度低、镁合金室温塑性和耐腐蚀性差且不易加工等。2004年叶均蔚首次正式提出高熵合金概念。高熵合金概念的提出为轻质合金的发展提供了新方向。区别于传统轻质合金,轻质高熵合金具有多种主元元素且混合熵较高,往往倾向于生成简单固溶体相。且轻质高熵合金表现出四大显著效应,即热力学上的高熵效应、动力学上的缓慢扩散效应、结构上的晶格畸变效应及性能上的"鸡尾酒"效应。独特的晶体结构和特性,使得轻质高熵合金具有传统轻质合金无法比拟的优点,如高强度、高硬度、优良的高温抗氧化性和耐腐蚀性能等。综述了轻质高熵合金的研究现状,阐述了轻质高熵合金的组元设计、制备方法、微观结构及合金性能,分析了轻质高熵合金现存的问题,并对轻质高熵合金未来的发展趋势进行了展望。     

Microstructure characteristics and mechanical properties of NbMoTiVWSix refractory high-entropy alloys

Refractory high-entropy alloys are considered as potential structural materials for elevated temperature applications. To obtain refractory high-entropy alloys with high strength, different amounts of Si were added into the NbMoTiVW refractory high-entropy alloys. The effects of Si on the phase constitution, microstructure characteristics and mechanical properties of NbMoTiVWSi_x alloys were investigated. Results show that when the addition of Si is 0, 0.025 and 0.05 (molar ratio), the alloys are consisted of primary BCC and secondary BCC in the intergranular area. When the addition of Si is increased to 0.075 and 0.1, eutectic structure including silicide phase and secondary BCC phase is formed. The primary BCC phase shows dendritic morphology, and is refined by adding Si. The volume fraction of intergranular area is increased from 12.22% to 18.13% when the addition of Si increases from 0 to 0.1. The ultimate compressive strength of the NbMoTiVW alloy is improved from 2,242 MPa to 2,532 MPa. Its yield strength is also improved by the addition of Si, and the yield strength of NbMoTiVWSi_0.1 reaches maximum of 2,298 MPa. However, the fracture strain of the alloy is decreased from 15.31% to 12.02%. The fracture mechanism of the alloys is changed from mixed fracture of ductile and quasi-cleavage to cleavage fracture with increasing of Si. The strengthening of alloys is attributed to the refinement of primary BCC phase, volume fraction increment of secondary BCC phase, and formation of eutectic structure by addition of Si.

     

Development and Property Tuning of Refractory High-Entropy Alloys: A Review

In the past decade, multi-principal element high-entropy alloys (referred to as high-entropy alloys, HEAs) are an emerging alloy material, which has been developed rapidly and has become a research hotspot in the field of metal materials. It breaks the alloy design concept of one or two principal elements in traditional alloys. It is composed of five or more principal elements, and the atomic percentage (at.%) of each element is greater than 5% but not more than 35%. The high-entropy effect caused by the increase of alloy principal elements makes the crystals easy form body-centered cubic or face-centered cubic structures, and may be accompanied by intergranular compounds and nanocrystals, to achieve solid solution strengthening, precipitation strengthening, and dispersion strengthening. The optimized design of alloy composition can make HEAs exhibit much better than traditional alloys such as high-strength steel, stainless steel, copper-nickel alloy, and nickel-based superalloy in terms of high strength, high hardness, high-temperature oxidation resistance, and corrosion resistance. At present, refractory high-entropy alloys (RHEAs) containing high-melting refractory metal elements have excellent room temperature and high-temperature properties, and their potential high-temperature application value has attracted widespread attention in the high-temperature field. This article reviews the research status and preparation methods of RHEAs and analyzes the microstructure in each system and then summarizes the various properties of RHEAs, including high strength, wear resistance, high-temperature oxidation resistance, corrosion resistance, etc., and the common property tuning methods of RHEAs are explained, and the existing main strengthening and toughening mechanisms of RHEAs are revealed. This knowledge will help the on-demand design of RHEAs, which is a crucial trend in future development. Finally, the development and application prospects of RHEAs are prospected to guide future research.     

Enhanced mechanical properties of HfMoTaTiZr and HfMoNbTaTiZr refractory high-entropy alloys

Although refractory high-entropy alloys have exceptional strength at high temperatures, they are often brittle at room temperature. One exception is the HfNbTaTiZr alloy, which has a plasticity of over 50% at room temperature. However, the strength of HfNbTaTiZr at high temperature is insufficient. In this study, the composition of HfNbTaTiZr is modified with an aim to improve its strength at high temperature, while retaining reasonable toughness at room temperature. Two new alloys with simple BCC structure, HfMoTaTiZr and HfMoNbTaTiZr, were designed and synthesized. The results show that the yield strengths of the new alloys are apparently higher than that of HfNbTaTiZr. Moreover, a fracture strain of 12% is successfully retained in the HfMoNbTaTiZr alloy at room temperature.     

Role of Various Parameters in the Formation of the Physicomechanical Properties of High-Entropy Alloys with BCC Lattices

An analysis of simple structures of the solid-solution non-ordered high-entropy alloys (HEAs) with a bcc crystal lattice has allowed us to determine the effect of various parameters on their physicomechanical properties. It was found that, as the hardness increases, the size mismatch results in a decrease in the modulus of elasticity; however, the normalized hardness characteristic increases. It has been found that, when the enthalpy of mixing of the bcc high-entropy alloys shifts to negative values, its effect on the hardness and modulus of elasticity is nonmonotonic. A formula for calculating the modulus of elasticity of high-entropy alloys with a bcc structure has been suggested that is based on the alloy composition and role of the most refractory metallic component.     

轻质高熵合金的研究进展

高熵合金是由多种元素以等摩尔或近等摩尔的比例混合形成的一种新型合金,较大的密度极大地限制了其应用。为了降低高熵合金的密度,出现了由Al、Li、Mg、Ti等轻质合金元素组成的轻质高熵合金,其在交通运输、航空航天领域潜在的应用前景引起了广泛关注。本文阐述了轻质高熵合金的研究现状,分析了轻质高熵合金的组元设计方法、相组成以及制备工艺,进而归纳总结了目前不同种类的轻质高熵合金的性能,包括高强度、高硬度、高温抗氧化性、耐蚀性能等。最后总结了轻质高熵合金目前存在的一些问题以及对轻质高熵合金未来的研究方向进行了展望。     

高熵合金的发展及工业应用展望

高熵合金是近十几年来出现的一类新型金属材料,通常由5种或5种以上的元素以等原子比或近等原子比构成,形成以固溶体相为主的组织结构。高熵合金概念的提出,突破了传统合金的设计理念,极大拓展了合金设计的空间。由于具有大晶格畸变、高混合熵、原子缓慢扩散和"鸡尾酒"效应等多重效应,高熵合金显示出高强度、高韧性、高硬度、异常优异的低温韧性、优异的耐腐蚀和抗辐照等独特性能。通过对高熵合金目前研究现状的系统总结,探讨了高熵合金作为一种新型结构材料在核能和石油工业等多个领域极端服役条件下的应用前景,着重分析了高熵合金在钻杆接头耐磨带、抗腐蚀套管和高性能隔水管等油气开发关键构件应用的可行性。     

共晶高熵合金研究进展

高熵合金(HEAs)打破了传统合金的设计理念,是以多种主要元素组成的一类新型合金,但大部分高熵合金通常流动性和可铸造性较差,成分不均匀,不利于高熵合金的规模化应用。共晶高熵合金(EHEAs)可同时具有高熵合金和共晶合金的特性,减少铸造缺陷,改善了铸造性能,设计和制备共晶高熵合金具有重要的意义。概述了国内外共晶高熵合金的研究进展,介绍了合金的相组成和性能,共晶形貌的生长特征及生长机理,概括了共晶高熵合金的相形成规律和共晶成分的设计方法,最后展望了未来共晶高熵合金的主要研究方向。     

FeCrNiCo(Cu/Mn)高熵合金组织及腐蚀性能

采用电弧熔炼方法制备了FeCrNiCoCu及FeCrNiCoMn两种高熵合金,借助第一性原理模拟计算及腐蚀电化学测试技术,研究Cu、Mn元素对制备高熵合金在3.5%NaCl、5%NaOH和0.5 mol/L H2SO4溶液中的电化学腐蚀行为的影响规律。结果表明:FeCrNiCoCu及FeCrNiCoMn高熵合金均为单一的FCC结构,其中FeCrNiCoMn态密度达到最大值时对应的能量较低,结构更趋于稳定,耐蚀倾向性好。FeCrNiCoMn高熵合金在三种溶液中的耐蚀性均高于FeCrNiCoCu的,这是由于Cu元素的存在会引起元素偏聚,降低了合金的耐蚀性。而Mn元素以金属间化合物的形式存在,降低了合金中耐蚀性差的元素含量,提高了合金的耐蚀性。     

高熵合金涂层的研究进展

高熵合金涂层在工程实际应用中较传统合金具有良好的前景,对近年来高熵合金涂层的研究进展进行了概述。首先对制备高熵合金涂层的表面熔覆技术进行详细的介绍,其中包括激光熔覆技术、等离子熔覆技术、氩弧熔覆技术,分析了各表面熔覆技术的优缺点;然后总结了高熵合金涂层的组织及性能特征,涂层中相的组成包括:固溶体相、金属间化合物、纳米析出相、非晶相;性能上,高熵合金涂层由于各种效应的作用,具有高强度及硬度、优异的耐磨性、良好的耐腐蚀性及高温抗氧化性等一系列优异的性能;而后进一步分析了表面熔覆技术工艺参数对高熵合金涂层质量的影响规律、合金元素对高熵合金涂层性能的影响及热处理对高熵合金涂层相组织演变的影响;最后对高熵合金涂层的应用前景及其未来的研究方向进行展望。