多主元难熔高熵合金的研究进展

近年来,高熵合金(HEAs)因其新颖的设计理念和优异的综合力学性能成为了新材料领域的研究热点之一。作为HEAs一个重要分支的难熔高熵合金(RHEAs)由于将高熔点难熔元素作为主要合金成分而具有优异的高温抗软化性能。难熔高熵合金在高温下具有良好的相稳定性,有望成为新型高温结构材料。相比于传统的高温合金,难熔高熵合金的成分范围更广,密度区间更大,抗氧化性也更好。在过去的十余年中,难熔高熵合金的研究已经取得了很大进展。许多合金和合金体系都已经进行了广泛的测试和表征,包括力学性能和氧化行为等方面,有关固溶强化、变形机制和氧化行为的新模型也正在出现并不断完善。计算机构建模型和模拟计算也逐渐应用于难熔高熵合金的研究,促进了难熔高熵合金的开发和发展。主要介绍了难熔高熵合金的成分设计,对比分析了其制备工艺和相组成,并讨论了其室温和高温时的力学性能及高温抗氧化性。最后总结了难熔高熵合金研究目前存在的问题和瓶颈,并对未来研究方向提出了建议。     

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。     

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。     

轻质高熵合金研究现状

高熵合金由于具有独特的合金设计理念和优异的性能而受到广泛关注。早期的高熵合金主要基于过渡族元素、难熔元素或者稀土元素,密度相对较高,从而极大限制了其应用。轻质高熵合金是基于Al、Li、Mg、Ti等轻质元素开发的一类新型高熵合金,在材料轻量化的趋势下,关于轻质高熵合金的研究逐渐增多。轻质高熵合金作为高熵合金的新分支,具有低密度、低模量、高比强度、高比硬度的独特优势。除此之外,轻质高熵合金还具有高熵合金的高强度、高硬度、优异的耐磨性、良好的耐氧化性、优异的耐腐蚀性、良好的抗高温氧化和抗高温软化性能以及良好的生物相容性等特点。这些性能上的优势使得轻质高熵合金在航空航天以及生物科技领域极具应用潜力。目前,轻质高熵合金的研究主要涉及成分开发、制备、组织结构表征、性能特点等。新成分的开发与设计主要利用经验参数与相图计算以及第一性原理计算相结合的方法。合金的制备以感应熔炼、电弧熔炼和机械合金化等方法为主;轻质高熵合金的相组成与组织结构通常包括非晶态组织、单相多晶组织、多相复杂组织等;其性能方面的研究主要涉及力学方面的强度、硬度、高温蠕变等,还包括抗氧化性、耐蚀性以及生物相容性等。本文从轻质高熵合金的成分设计、制备方法、组织特征、性能特点等方面进行了综述,并指出了轻质高熵合金所面临的问题与挑战。     

铱的合金化改性研究现状

铱具有极高的熔点、优异的高温强度以及极佳的抗氧渗透性能,通过合金化改性得到的二元铱合金的综合性能较纯铱已有显著提升。不同二元铱合金体系具有突出的高温抗氧化性能、高温力学性能或抗电弧烧损性能,被应用于高温抗氧化材料、高温结构材料、贵金属电接触材料等领域。为进一步提升性能、降低成本,在二元铱合金基础上发展出的多元铱合金充分发挥出添加元素的晶粒细化强化、弥散强化、阻挡保护等作用,展现出令人满意的成果,极具发展潜力和可设计性。     

复合电沉积制备NiCoCrAl泡沫合金及其高温抗氧化性的研究

采用复合电沉积法制备了NiCoCrAl泡沫合金,借助原子吸收光谱法研究了镀液组分对泡沫合金组分的影响;对合金在不同温度下进行了热处理,通过差热分析试验研究了热处理温度对合金的耐热性能,高温抗氧化性能影响,同时研究了合金中Cr和Al含量对合金的高温抗氧化性能的影响.结果表明,在852.37℃和1 180.29℃下合金形成了有利于提高其高温抗氧化性的相态;随着合金中Cr和Al含量的增加,合金的高温抗氧化性能提高,且Al含量对高温抗氧化性能影响更显著.     

铬、铝、硅对铁基高温合金抗氧化性能的影响

采用正交设计的实验方法探讨了铬、铝、硅元素含量对铁基高温合金抗氧化性的影响规律。为获得稳定的抗氧化能力,上述各元素的含量应分别高于17%Cr,4%Al,1.5%Si。结果表明:当三元素同原子比时对铁基高温合金抗氧化性的影响次序为Si最大,Al次之,Cr最小。结构平坦、组织致密、颗粒细小均匀的氧化膜抗氧化性较好,反之较差。当氧化膜由Cr2O3,Al2O3,SiO2,Fe(Ni)Cr2O4多种氧化物组成复合氧化膜时于1250℃表现为强抗氧化性,当缺少Al2O3或SiO2时表现为弱抗氧化性。     

合金元素对CoCrFeNi基高熵合金相组成和力学性能影响的研究现状

基于多主元设计理念的高熵合金(又称多主元合金)虽然组成元素复杂,但能形成简单结构的固溶体,并具有优异的性能,已成为当前高性能金属材料的研究热点之一。目前的研究主要集中在固溶体形成条件、成分种类、含量、组织结构及不同退火温度对合金的组织和力学性能的影响等方面。学者们还界定了形成固溶体时合金混合焓、原子半径及价电子浓度(VEC)的范围。当前的研究以CoCrFeNi基合金最为广泛,主要研究目标包括提高BCC型合金的塑性或FCC型合金的强度,以及开发具有良好的可铸性、易适应大规模生产的共晶高熵合金。通过降低晶粒尺寸、热处理和引入新元素等方法,使高熵合金产生晶界强化以及析出细小、弥散的第二相,从而有效地强化FCC基体。通过一系列的合金设计,研究出一些低成本、高性能的合金,进而也可用于一些高性能要求的零件或制备成高性能涂层。本文综述了合金元素Al、Cu、Ti、Mn、Mo、Pd、Nb及两种元素协同作用对铸态CoCrFeNi基高熵合金的相组成和力学性能的影响。通过对比发现,不同元素由于其原子半径、电负性以及与其他元素的结合力不同对高熵合金的相形成产生不同的影响,从而影响其力学性能。Al、Ti和Mo等原子半径较大元素的添加会产生固溶强化,使得合金的硬度增大。同时,Al元素的添加会因形成有序的B2相而产生第二相强化;部分合金还能形成共晶高熵合金。Ti和Mo元素由于与其他元素的混合焓较小容易形成复杂的化合物使得合金变脆。而Cu与其他元素混合焓较大,易优先在枝晶间析出。铸态下Mn含量的变化不影响合金的晶体结构,合金为FCC相。经过时效处理后,Mn含量高的合金有少量σ相析出。添加Nb元素后,合金由于Laves相的出现强度增加且变脆。此外,还对添加Pb元素后合金的饱和磁化性能以及部分合金的耐腐蚀性等进行了综述。本文可为高熵合金的成分设计及研究提供参考。     

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。     

合金元素在MCrAlY涂层中的行为

采用电弧离子镀在新型r-Ni3Al基高温合金IC－6上沉积Ni-Cr-Al-Y和Ni-Co-Al-Y涂层,研究了元素对MCrALY涂层性能及元素行为的影响,结果表明,在沉积过程中,合金中的Al和Mo元素抑制了Cr从涂层向基体扩散,使涂层中的Cr维持在较高浓度,真空扩散处理时,涂层和基体之间发生互扩散,使涂层－基体元素浓度呈梯度分布,减小了涂层和基体热膨胀系数的差别,同时涂层的相结构也发生变化,r-Ni3Al和r-Ni仍是涂层的主要相,但是由于Cr原子的取代作用致使晶格常数a0发生变化,等温氧化实验表明,Ni-Cr-Al-Y和Ni-Co-Cr-Y涂层氧化规律遵循抛物线规律,900℃静态空气等温氧化时,Ni-Cr-Al-Y涂层中加入Co对其抗氧化性能的影响不大,1000℃静态空气等温氧化时,Ni-Cr-Al-Y涂层中加入Co后,降低了其抗氧化性。     

难熔高熵合金研究进展

高熵合金是近年来的新兴领域,与传统合金不同,其一般是由五种或者五种以上主要元素组成,每种主元的含量在5%~35%(原子分数)之间,多种元素混乱排列却拥有简单的相结构,高熵合金的优点显著,发展空间巨大。以难熔金属元素为基础的难熔高熵合金近年来大受关注,含有3种及以上的难熔金属组成的高熵合金称为难熔高熵合金,由于难熔金属的熔点均较高,因此难熔高熵合金表现出了较好的高温力学性能和高温抗氧化性能以及耐腐蚀性能,受到大众欢迎,有望取代传统的高温合金。详细的阐述了难熔高熵合金的制备方法、相结构、力学性能、抗氧化性能与耐腐蚀性能,最后对难熔高熵合金的发展进行了展望。     

难熔高熵合金的研究进展

高熵合金(HEAs),又称为多主元固溶体合金,其因独特的合金设计理念和优异的综合性能而引起国内外研究人员的普遍关注,逐渐成为金属材料领域的研究热点.难熔高熵合金(RHEAs)是基于难熔元素的高熵合金而设计开发的一种新型高温合金,与传统的高温合金相比,RHEAs具有更高的高温强度、高温抗氧化性能及高温相稳定性,在航空航天、石油化工等领域具有广阔的应用前景,自2010年被提出以来,已成为高熵合金研究领域的一个重要分支.迄今为止,学者们主要将第4、5、6周期及第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族的9种元素(Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W)以及Al、C、Co、Ni等附加元素作为难熔高熵合金的主元,形成了复杂多样的合金体系.已报道的合金体系有100多种,这些合金的相结构从单相BCC结构到BCC1+BCC2、BCC+Laves等两相再到多相结构,呈现出结构多样性,组织有枝晶、等轴晶以及共晶组织或形变孪晶组织等,由此得到的性能也各有所长.RHEAs的制备最先采用熔炼法,包括电弧熔炼和感应熔炼,要求在高纯保护气体下进行多次重熔.近年来也有研究采用粉末冶金法制备RHEAs,获得了颗粒尺寸细、成分较均匀的合金.此外,激光熔覆法、磁控溅射等也被引入到RHEAs的材料或涂层制备.可见,RHEAs在成分设计、制备工艺、相结构与微观组织、室温及高温性能等方面的研究正不断取得新的进展.本文综述了近年来国内外RHEAs的研究现状,就其主元组成、相结构和制备方法进行了系统的介绍,并归纳了包括密度和强塑性、高温抗氧化性以及耐磨耐蚀性等性能的演变规律,最后指出了RHEAs面临的挑战并提出未来研究重点的建议.     

Nb-Si基超高温合金制备技术及抗氧化硅化物渗层

Nb-Si基超高温合金具有高熔点、适中的密度、良好的高低温力学性能等特征,有潜力应用于1200~1 450℃高温,但其抗氧化性能较差。综述了该合金的成分特点、制备方法、特别是其抗氧化硅化物渗层的制备方法、组织特点及其氧化行为。重点介绍了该合金的整体定向凝固方法及其组织特点。开发了Al,Y,Cr,B,Ce,Zr,Ge等单元以及多元联合改性的NbSi2基硅化物涂层体系,其中多种涂层体系经1250~1350℃恒温氧化100~200 h或1 250℃~室温循环氧化100次后仍对基体合金具有优异的保护能力。其中最具有代表性的是采用Si-Al-Y2O3包埋共渗在Nb-Si基超高温合金表面制备的Y,Al二元联合改性硅化物渗层。Al对渗层氧化行为的改性体现于对氧化膜组织结构的影响,即合适的Al含量可促使在渗层(Nb,X)Si2外层的表面优先生成SiO2,从而形成以SiO2·Al2O3为主的致密氧化膜。     

氧化物弥散强化高温合金抗氧化性能的研究进展

氧化物弥散强化商业高温合金因氧化物颗粒在基体中的弥散强化作用而具有较好的高温力学性能,如今被广泛应用于航空航天、能源、汽车等领域的高温部件。研究发现,氧化物颗粒的掺杂不仅可以使合金基体具有优异的高温强度,还可以显著提高基体的抗氧化性能。概述了氧化物颗粒种类、尺寸和含量对高温合金抗氧化性能的影响,从合金初期氧化行为、氧化膜生长速度、生长机制、粘附性能等角度重点关注不同性质氧化物(如活性元素氧化物和非活性元素氧化物)弥散质点在氧化过程中作用机理的异同,最后对未来的研究方向做出了展望。     

微量元素对镍基高温合金微观组织与力学性能的影响

在高温环境中镍基高温合金具有良好的高温强度、抗氧化性能、抗腐蚀性能和抗疲劳性能,被广泛应用于航空航天等领域。镍基高温合金优异的综合性能与其微观组织紧密相关。综述了微量元素B, C, Y, Ce, Hf, Re, Ru, P对镍基高温合金微观组织及其力学性能的影响。针对不同的镍基高温合金,对微量元素的不同作用进行讨论分析。镍基高温合金微观组织及其力学性能与微量元素的含量及其分布有关。添加于镍基高温合金中的微量元素分布在合金基体或者其析出相中,通过偏聚于晶界处或者元素偏析等方式,改变合金的微观组织,从而影响其力学性能。     

难熔高熵合金性能调控与增材制造EI北大核心CSCD

难熔高熵合金(refractory high-entropy alloys, RHEAs)通过添加多种难熔元素形成等原子比或近等原子比的多主元合金,具有简单的相结构和优异的高温性能,在高温合金领域具有极为广阔的应用前景。本文以难熔高熵合金的性能特点与制备工艺为基础,从合金制备与成形面临的挑战出发,综述了难熔高熵合金的性能调控方法与研究进展,介绍了增材制造难熔高熵合金实现的突破与面临的困境,对难熔高熵合金的成分设计及优化、材料制备与加工、增材制造成形进行了展望,并对其未来重点研究方向提出了如下建议:通过调控相结构和相界面克服难熔高熵合金的强韧制约;结合传统强韧化理论与难熔高熵合金自身性能特点进行材料设计;借助增材制造技术的工艺特征促进难熔高熵合金的形性调控;探究难熔高熵合金在高温及多场耦合环境下的使役性能与失效机制。     

FCC/L1_2共格高熵高温合金的研究进展

高温合金是航空航天、能源等领域的高端装备核心热部件的关键材料。多年来,研究人员通过微合金化和先进制造工艺等方法,不断提升传统高温合金的性能,但由于受到合金主元的熔点限制,当前先进高温合金的性能已接近其极限。自2004年以来,高熵合金作为一种新型的合金体系表现出优异的综合性能,得到了广泛关注。高熵合金包含多种主元,在性能上的鸡尾酒效应可以融合各个主元的特点,突破了单一主元对合金性能的限制。随着对材料性能需求的不断提高,高熵合金也不仅限于单相固溶体,近年来也开发了大量第二相强化的高熵合金。其中,高熵高温合金结合了高熵合金多主元设计思想和传统高温合金共格析出的结构特点,表现出稳定的FCC/L12相结构和优异的高温性能,为新型高温结构材料的开发提供了希望。然而,高熵高温合金的相形成规律缺乏可靠的理论,强化和变形机理缺乏系统研究。此外,高温材料在环境中的表面稳定性是在工程应用中衡量材料性能的重要指标,而相关研究较少。近年来,研究人员基于已有的合金设计经验和计算机模拟方法,开发了一系列高熵高温合金,通过添加多种合金化元素不断提高材料的高温性能,研究了L12相的析出形貌和热稳定性、FCC/L12间的晶格错配度等对高温强度、蠕变性能的影响,并且对一些综合性能优异的高熵高温合金进行了高温氧化和热腐蚀测试,推进了高温高熵合金的工业化应用。本文归纳了高熵高温合金的研究进展,分别对相形成规律、力学性能、高温氧化和热腐蚀等进行了简单介绍,分析了变形机制、氧化和热腐蚀机理,指明了未来高熵高温合金的发展方向,以期为高熵高温合金的研发和工程应用提供一定的参考。     

Al含量对CrFeNiAlxSi系高熵合金性能的影响

选取与天然铬铁矿粉有效成分相近的Al、Cr、Fe、Ni、Si元素为高熵合金成分,采用激光烧结技术制备CrFeNiAl_xSi系高熵合金,研究了Al含量对CrFeNiAl_xSi系高熵合金的物相结构、显微组织、密度和孔隙率、显微硬度、耐磨和抗高温氧化性能的影响。结果表明：CrFeNiAl_xSi(x=0.2、0.4、0.6、0.8、1.0)系高熵合金由BCC+FCC相构成,随着Al含量的提高FCC相减少;x=0.6的合金硬度最高,为813.3HV;合金的密度降低孔隙率提高,x=0.2的合金密度最大,为4.21 g·cm^-³,孔隙率最低,为26.46%;x=0.6的合金耐磨性能最佳,磨损率为69.50 mg·cm^-²;随着Al含量的提高,合金的抗高温氧化性能明显提高。     

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。     

无序的新境界:高熵陶瓷

人类社会的进步与发展对材料性能提出了越来越高的要求,这是激励人们探索新的材料设计理论并开发新材料体系的原动力。近年来,性能优异的新材料不断涌现,并相继成为研究热点,由高熵合金发展而来的高熵陶瓷就是典型代表之一。2004年,中国台湾清华大学叶均蔚和英国牛津大学Cantor两个课题组几乎同时提出了高熵合金(High-entropy alloys)的概念。他们发现将(近)等原子比的多种合金元素高温熔炼,容易形成金属原子随机分布的面心立方、体心立方和六角密堆等具有简单晶体结构的单相固溶体,阻止了金属间化合物的生成,显示出典型的高熵效应。此后人们进一步归纳出高熵合金的四大效应,即热力学上的高熵效应、晶体学上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应和性能上的“鸡尾酒”效应。与传统合金相比,高熵合金表现出良好的结构稳定性、优异的力学性能以及功能特性,引发了材料界研究高熵材料的热潮。