高熵合金新材料的研究进展

高熵合金是最近发展起来的新型多主元合金,一般由五种以上主要元素构成,每种元素的摩尔含量在5%～35%之间.因此,高熵合金的组织和性能特点在许多方面有别于传统合金.本文阐述了高熵合金的定义、特性以及相关热力学原理,介绍了最近几年来国内外在高熵合金领域取得的实质性进展.     

难熔高熵合金的研究进展及应用

高熵合金不同于传统工程合金,是由多种元素以等摩尔或近等摩尔的比例混合,形成的以简单固溶体结构为基体的系列成分复杂合金。其中含高熔点元素的难熔高熵合金具有较高的高温强度和优异的高温抗氧化性能及耐蚀性能等突出特点,其潜在的高温应用价值引起了广泛关注。详细阐述了难熔高熵合金的研究现状及应用,根据晶体结构类型将难熔合金体系进行了分类,并对各类体系中的微观组织特征进行了概述;进而归纳总结了难熔高熵合金的各种性能,包括高强度、耐磨性、高温抗氧化性、耐蚀性能等;最后对难熔高熵合金的发展及应用前景进行了展望。     

各类高熵合金的研究进展

随着科学与技术的不断发展,传统合金已无法满足现代工业发展的要求,迫切需要一种具有优异性能的新型合金材料来满足工业发展的需求。高熵合金是在传统合金的基础之上提出的,其具有比传统合金更优异的性能,所以对高熵合金的研究具有重要的价值。高熵合金是由5种及5种以上主元构成,且每种主元的原子分数5%并35%。阐述了块体高熵合金、薄膜状高熵合金、丝状高熵合金以及粉末状高熵合金的研究现状以及取得的进展。     

高熵合金激光熔覆涂层的研究进展

高熵合金熔覆涂层结构简单,性能优异,易于制备,是目前高熵合金研究的热点。通过成分设计、元素添加、制备工艺优化等方法,可以显著提高高熵合金熔覆层质量,强化基材性能,获得满足工程应用的高熵合金涂层的有效途径。从元素含量、增强相、热处理工艺等3个方面阐述其对高熵合金涂层微观组织和性能的影响,并进一步分析激光熔覆制备高熵合金目前存在的问题,展望了其未来的研究重点。     

高熵合金增材制造研究进展

基于不同的高熵合金(high-entropy alloys,HEAs)体系,综述了增材制造高熵合金的最新研究进展,阐述了不同成分高熵合金增材制造的快速凝固微观组织、偏析和析出行为,着重分析了增材制造高熵合金的力学性能、变形及强化机理.指出不同的高熵合金体系应选择适合的增材制造工艺,并且成型质量的影响因素还有待进一步研究,最后提出利用增材制造技术可以研发和制备出具有优异强度-塑性组合的高熵合金.     

射频磁控溅射制备（AlCrTiZrNb）N高熵合金薄膜的微观组织和力学性能

研究了氮含量对(AlCrTiZrNb)N高熵合金薄膜微观结构和力学性能的影响,利用射频磁控溅射工艺在不同N₂和Ar流量比下制备了(AlCrTiZrNb)N高熵合金薄膜。结果表明,随着氮气流量的升高,(AlCrTiZrNb)N薄膜的沉积速率逐渐下降,AlCrTiZrNb合金薄膜的结构由非晶态转变为由Me-N(金属氮化物)构成的面心立方固溶体结构,(AlCrTiZrNb) N薄膜的择优生长取向为(200)晶面。同时随着N₂流量的增加,(AlCrTiZrNb) N高熵合金薄膜的硬度首先快速升高,随后略微降低。当N₂:Ar=1:1时,(AlCrTiZrNb)N薄膜硬度最大值28.324 GPa,此时(AlCrTiZrNb) N薄膜呈现单一的面心立方固溶体结构,饱和Me-N相的形成与各元素的固溶强化作用是其硬度的增长的主要原因。     

氮气含量对AlCrTaTiZrMoN_x高熵合金氮化物薄膜扩散阻挡性能的影响

国内对高熵合金的研究主要集中于其优异的力学性能,还未见有关高熵合金扩散阻挡性能的报道。采用直流磁控反应溅射方法在不同N_2流量占比气氛中制备了AlCrTaTiZrMoNx薄膜与Cu/AlCrTaTiZrMoNx/Si复合试样,并对样品真空退火1h。用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、四探针电阻测试仪(FPP)、场发射扫描电镜(SEM)对退火前后样品的物相结构、表面粗糙度、形貌以及方块电阻进行了分析表征,研究了薄膜的热稳定性和扩散阻挡性能。结果表明:随着N_2流量占比的增加,高熵合金氮化物薄膜表面粗糙度增加,方块电阻也单调增加;N_2流量变化会改变薄膜结构,未通入N_2时,薄膜为非晶结构,当通入N_2后,N原子会与金属原子形成氮化物,使结晶性能得到提高,薄膜结构为面心立方,N_2流量占比为20%时,薄膜结晶较好,晶粒细小;当N_2流量占比为0时,复合试样在700℃退火时失效;N_2流量占比为10%时,复合试样在800℃退火时失效;N_2气流量占比为20%和30%时,复合试样在800℃退火后,其X射线衍射峰没有明显的变化,复合试样表面较为平整,此温度为极限温度;在900℃退火后,复合试样界面发生了相互扩散,生成了高阻态铜硅化合物,表面粗糙度显著升高,表明扩散阻挡层已经彻底失效;可见,随着N_2流量占比的增加,高熵合金涂层的扩散阻挡性能和热稳定性得到提高,但当N_2流量占比大于20%时,其阻挡性能和热稳定性提高不明显。     

多主元高熵合金研究进展

多主元高熵合金突破了以1种或2种金属元素为主的传统合金的发展框架,是一种新的合金设计理念.高熵合金具有许多有别于传统合金的组织和性能特点.重点介绍了高熵合金的定义、组织和性能特点及其应用,并介绍了该方向的一些研究进展.     

Al_xCoCrFeNiCu_2高熵合金的组织结构及力学性能

采用真空电弧熔炼技术制备出不同Al含量的AlxCo Cr Fe Ni Cu2的高熵合金,研究Al含量对该高熵合金的微观组织及力学性能的影响。结果表明,该铸态高熵合金合金具有简单的bcc相固溶体结构及fcc相固溶体结构。AlxCo Cr Fe Ni Cu2(x=1,2和3)合金中fcc相固溶体的含量在增加;当x=4,5时,合金中bcc相固溶体的含量增加。合金的硬度随着Al元素的增加而提高。制备出的5种合金中Al4Co Cr Fe Ni Cu2硬度值最高。Al3Co Cr Fe Ni Cu2高熵合金具有较高的屈服强度和断裂强度。     

多主元高熵合金的研究进展

多主元高熵合金突破了以1种或2种金属元素为主的传统合金的设计理念,是一种有5种以上主元且每种主元原子百分数不超过35%的新型合金.高熵合金显现出许多不同于传统合金的组织和性能特点,是具有学术研究价值和工业应用潜力的材料领域.重点介绍了高熵合金的定义、组织和性能特点与研究状况.     

CrFeCoNiCu多主元高熵合金的相分析

利用高分辨SEM与TEM观察显微组织,同时结合相图分析,提出了CrFeCoNiCu多主元高熵合金相的鉴定方法,结果表明:微观组织为枝晶和枝晶间组织,枝晶间存在大量纳米析出相。主要组成相包括枝晶内的Fe,Cr,Ni,Co的FCC固溶体相,枝晶间非晶相和Cu,Ni的FCC固溶体相。相图分析表明,合金材料在1400℃和1100℃左右发生的两次相变,形成了CrFeCoNiCu高熵合金的组织结构。     

高熵合金中典型金属间化合物

高熵合金作为一种新型金属材料,因其具有优异的力学性能而受到越来越多研究者的广泛关注。在高熵合金中,金属间化合物从最初追求单相固溶体以避免形成有害相,发展到可作为有益的析出强化相或合金基体相(有序固溶体),丰富了高熵合金的组织调控策略,提升了高熵合金的力学性能。同时,也为高熵合金的发展起到了重要的推动作用。从高熵合金中相的形成规律出发,综述了高熵合金中典型金属间化合物及有序固溶体的研究现状,主要包括合金元素和热处理工艺等对典型金属间化合物形成规律和高熵合金力学性能的影响,并对高熵合金中金属间化合物的未来发展进行了展望。     

添加Be对CoCrFeNi高熵合金组织和性能影响的研究

目的 研究CoCrFeNi高熵合金组织和性能在添加Be后的变化,通过高熵合金固溶体相形成规律,设计从面心立方固溶体转变至含体心立方及金属间化合物的(CoCrFeNi)1-xBex系列高熵合金。方法 通过计算验证(Co Cr FeNi)1-xBex系列高熵合金的成分是否落入固溶体区域,并对上述成分高熵合金组织和力学性能进行研究。结果 Be元素的原子数分数为4%时,高熵合金仍为单一的FCC相结构,随着Be元素含量的进一步增加,基体中出现BCC相和金属间化合物。Be的添加使得(Co Cr Fe Ni)1-xBex高熵合金的屈服强度及显微硬度均大大提高,同时密度降低。结论 根据相形成规律设计的(Co Cr Fe Ni)1-xBex系列高熵合金表明,适量添加Be元素可以改善CoCrFeNi高熵合金的综合物理力学性能。     

高熵合金基复合材料及制备方法研究进展

高熵合金基复合材料可以充分发挥高熵合金和强化相(或金属基体)的性能优势,有望超越传统金属复合材料的性能极限。对高熵合金基复合材料及其制备方法进行了综述,以期能为未来高熵合金基复合材料的组分设计、强化相种类和制备方法的选择带来一定的启发和借鉴作用。首先介绍了高熵合金基复合材料的强化相种类,并对高熵合金基复合材料制备工艺的特点进行了总结;在此基础上,归纳了制备高性能高熵合金基复合材料的关键因素,包括高熵合金成分的选择、强化相种类及生成方式和复合材料的制备方法等因素;最后对高熵合金基复合材料研究领域的挑战和未来发展进行了展望。     

CoCrFeNi系高熵合金研究进展

高熵合金具有独特的微观结构和特性,作为一种新型的高性能材料,逐渐获得了国内外研究人员的广泛关注。高熵合金具备多元化的元素组成方式,不但没有形成传统概念中复杂的相结构,反而展现出了更优异的性能,在诸多领域均具有良好的应用前景。在当前的高熵合金体系中,CoCrFeNi系研究最为广泛,其研究内容主要体现在通过添加不同元素或进行退火热处理对原合金体系改性进而获得优异性能的材料。首先,结合CoCrFeNi体系对高熵合金的定义和性能特点进行了分析和总结;其次,从热力学和动力学角度论述了CoCrFeNi系高熵合金的结构预测、层错能计算及缺陷动力学分析;再次,总结了Al、Ti、Cu、Mn和C元素对CoCrFeNi系高熵合金显微组织和力学性能的影响;最后,分析了当前的研究现状并进行了展望。     

铜含量对CoCrFeNi高熵合金组织结构和性能的影响

通过设计不同Cu含量的CoCrFeNi高熵合金,筛选出一种具有较高强度和导电性的Cu基高熵合金。采用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电子显微镜、力学性能测试机、电阻测试仪研究了铸态CoCrFeNiCux(x=1,2,3,4,5)高熵合金的组织、力学和导电性能。当x=1,2时,合金为FCC单相;当x≥3时,合金除了FCC相外还存在其他析出相。当x=1时,合金的微观形貌由等轴晶组成;当x≥1时,合金的微观形貌是树枝晶和等轴晶形貌,枝晶间的Cu含量较高。合金的拉伸强度和伸长率均随着Cu含量的升高先降低后升高,其中CoCrFeNiCu3合金的综合力学性能最差,抗拉强度仅约120 MPa,伸长率不到1%。CoCrFeNiCu5合金具有最优异的综合力学性能,其抗拉强度约为370 MPa,伸长率约为11%。合金的电阻率随着Cu含量的升高逐渐降低,CoCrFeNiCu5合金的电阻率最低,导电性能最好,同时,电阻随着温度的升高而升高。测试了5种合金的热膨胀系数,其随着Cu含量的升高呈波浪性上升。结合拉伸测试和导电性能测试结果,CoCrFeNiCu5合金具有优异的综合力学性能和导电性能。     

快速凝固AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的微观组织演变和力学性能

使用真空快速凝固设备制备不同直径的AlCoCrFeNi_2.1合金铸棒和薄带,研究了冷却速率对多主元共晶高熵合金的微观组织和力学性能的影响。结果表明,全部试样均由FCC和B2两相组成。不同直径的合金铸棒均为常规共晶组织,只在表层某些位置观察到胞状共晶组织。铸棒的直径越小,冷却速率越大,规则共晶组织的片间距(λ)越小,其屈服强度越高。当铸棒直径由8 mm减小至2 mm时表层区域的λ值由530.4 μm减小至357.0 μm,轴心区域的片间距由712 μm减小至474 μm,合金的屈服强度由690 MPa提高到877 MPa。结合合金薄带的微观组织分析结果表明,随着冷却速率的提高AlCoCrFeNi_2.1合金依次形成规则和非规则混合共晶组织、胞状共晶组织和树枝状组织。     

CoCuFeNiTi高熵合金涂层的制备和性能研究

采用激光熔覆技术在40 Cr钢基材表面制备CoCuFeNiTi高熵合金涂层,使用SEM、XRD和EDS等手段分析涂层的显微组织和相组成,研究了涂层的制备工艺、显微硬度、耐磨损和耐腐蚀性能。结果表明：在激光功率为700 W、扫描速度为6 mm/s条件下制备的CoCuFeNiTi高熵合金涂层表面质量较好,涂层与基体之间形成了良好的冶金结合;这种涂层由FCC相、少量的Cu₄Ti相和微纳级富Cu析出相构成,具有典型的树枝晶显微组织,Cu元素在枝晶间偏聚并形成微纳级富Cu析出相;涂层的显微硬度约为438.83HV,是基体的1.7倍;涂层的磨损质量损失约为基体的1/2,表明这种涂层具有更高的耐磨损性能。涂层的磨损,以黏着磨损为主伴有一定程度的磨粒磨损;这种涂层在pH=4的酸性溶液和3.5%NaCl溶液中的耐蚀性均优于基体。     

激光熔化沉积钛合金-高熵合金梯度材料组织演变研究

目的 研究钛合金-高熵合金梯度材料不同位置沉积层的微观组织形貌及力学性能演变规律。方法 采用激光熔化沉积的工艺制备了钛合金-高熵合金梯度材料,并建立了有限元仿真模型来辅助分析。研究对象为TA15基板上单道多层的梯度沉积层,在设计梯度材料成分时,相邻梯度的材料比例变化量为10%(质量分数),TA15钛合金的质量分数由100%逐渐降低至0%,AlNbTiVZr的质量分数逐渐增大。基于实验对有限元模型进行了一定程度的简化处理,通过热物性参数计算软件和经验公式获取了梯度成分材料的热物性参数,进行了单层单道激光熔化沉积实验以完成热源校核,在与实验相同的工艺参数下计算了温度场并进行了分析。结果 在一层一冷的冷却策略下,多层沉积仍存在一定的热累积现象,沉积15层后,沉积层中部的温度峰值基本保持在2 489 ℃,根据循环曲线,沉积层中部的重熔范围超过1/2。结论 随着高熵合金含量的增加,组织由细小等轴晶、胞状晶和柱状晶转变为多边形晶粒,V、Nb等β稳定元素的增加和Al等α稳定元素的减少抑制了组织中针状α相的形成,V、Nb等元素在晶界产生了明显偏析现象并逐渐增多,抑制了晶粒生长且增强了细晶强化作用,显微硬度随之增大。