高熵合金(High-Entropy Alloys)简称HEAs.是一类具有性能的新型材料,以其的力学性能、耐腐蚀性能、的热稳定性等特点受到科学界广泛关注.高熵合金是由五种以上元素,每种元素的原子分数在5%到35%之间,各元素原子随机占据一个晶格点位的晶体.已经报道的典型合金有:叶均蔚等发现的以CoCrCuFeNi为代表的面心立方固溶体结构的合金;张勇等发现的以A1CoCrFeNi为代表的体心立方固溶体结构的合金.如今,高熵概念被广泛应用于各种材料,如氧化物、硫族化合物和卤化物.高熵态产生了多种改进功能:如热电性能、磁热效应、催化效应等
高熵合金的四个核心效应
1.高熵效应
高熵效应是HEA的标志性概念.比较理想的形成熵与属的焓(选定IM化合物的形成焓)可以得知,在具有5个或更多元素的近等摩尔合金中,其更有利于形成SS相而不是IM化合物.这时不考虑特殊组合,仅熵和焓的高低来分析常规的SS相和IM相.熵值也只考虑生成熵.虽然振动、电子和磁性也影响其熵值,但是主要的因素仍然是合金的结构.
2.晶格畸变
严重的晶格畸变是因为高熵相中的不同原子尺寸导致的.每个晶格位置的位移,取决于占据该位置的原子和局部环境中的原子类型.这些畸变比传统合金严重的多.这些变原子位置的不确定性导致合金的形成焓较高.虽然在物理上,这可以降低X射线衍射峰的强度,增加硬度,降低电导率,降低合金的温度依赖性.但是,仍然缺少系统的实验来定量描述这些性能的变化值是多少.例如,组成原子之间的剪切模量不匹配,也可能有助于硬化;局部键的变化也可能改变电导率、热导率和相关的电子结构.
3.缓慢的扩散特点
在HAs中,扩散是缓慢的.这可以在纳米晶和非晶合金的形成和其显微结构中观察到.
4."鸡尾酒"效应
"鸡尾酒"效应是S.Ranganathan教授使用的短语.初的意图是"一种愉快,愉快的混合物".后来,它意味着一种协同混合物,终结果是不可预测,且大于各部分的总和.这个短语描述了三种不同的合金类别;大块金属玻璃、超弹性和超塑性金属以及HEAs.这些合金都是多主元素合金."鸡尾酒"效应表征了无定形大块金属玻璃的结构和功能特性
常做高熵合金组分:
CoCrFeNi CoCrFeNiAl CoCrFeNiCu CoCrFeNiMo FeNiCrCuAl
CoCrFeNiMn CoCrNiAl FeMnCoCr TiVAlCrZr TiNbMoTaW
CuAlTiWV Al_xCrFeNiTi TiZrHfVNb
对于各种含Mn、Mg等易挥发元素、Nb、Ta等高熔点元素的较高难度高熵合金我们均可配合实验生产。
高熵合金作为一种全新的合金设计理念,将合金设计的范围从传统合金设计所着眼的相图边角扩展到了相图中间广阔的区域,也造就了其特的性质。在众多高熵合金种类中,有一部分具有广阔的高温应用前景,有望成为新一代高温材料,如高温高熵合金和难熔高熵合金等
高熵合金通常含有较高原子比例的铬、铝等元素,与传统的高温合金相比,从理论上具有更的抗氧化性。Tsao等研究了基于Al-Ti-Cr-Fe-Co-Ni体系的高温高熵合金的900~1100℃/5~200h高温氧化和腐蚀性能,并与CM247LC镍基高温合金进行了比较。该研究观察到高熵合金由于不同的溶质形成了复杂的氧化物,并认为含量较高的铬和铝促进了保护性铬和氧化铝层的形成,表现出的热腐蚀和抗氧化性。
许多高熵合金厂家在高熵合金中都加入了大量的铝、铬等元素,因此抗氧化性相较于传统的高温合金具有一定的优势。难熔高熵合金由于富含多种难熔易氧化元素,其抗氧化性差的问题是其推广应用的大障碍。如何解决难熔高熵合金的抗氧化性是今后需要着重研究的问题。