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
高熵合金的应用
1.高温性能的应用
无论何种类型,热机的效率随着温度的升高而增加.如核能、燃煤和燃油等发电行业中,工作温度的升高可以降低燃料消耗、污染和运行成本.在喷气发动机工业中,工作温度的增加可使性能改进,例如更重的有效载荷、更大的速度和更大的范围的组合等.目前发动机主要部件材料的开发还是集中在Ni基高温合金材料上,但由于其初始熔点大约在1300℃,镍基高温合金适用于温度仅在1160~1277℃之间.因此,开发具有更高温性能的发动机部件材料变得至关重要.试验表明这两种耐火HEAs在1600℃时的屈服强度超过400MPa,这远Inconel 718 Ni 基高温合金在1000℃的屈服强度(低于200MPa).热机的开发需要进一步改善发动机部件材料的高温性能.与Ni基高温合金相比,HEAs在高温下具有更高的稳定性、更低的成本和密度、正的晶格失配,这表明这些合金由于具有吸引人的高温机械性能,有可能取代Ni基高温合金作为下一代高温材料.
2.断裂韧性的应用
材料的断裂往往关乎着安全的问题,一般来说,根据失效应变可以分为脆性和韧性断裂.脆性断裂没有塑性变形的迹象,通常以灾难性方式发生,开发具有性能的新型金属材料具有重要意义.据报道,当温度从298K下降到77K时,CrMnFeCoNi高熵合金的断裂韧性几乎保持恒定,而CrCoNi高熵合金的断裂韧性略微增加.在这些HEAs中,没有出现像钢、非晶合金、镁合金、多孔金属和纳米金属等许多传统合金那样尖锐的韧脆转变,这表明这些合金可能是极端寒冷条件下应用的优良候选材料,例如,用于船体、飞机和低温储存罐的材料等.
3.耐腐蚀性的应用
我国每年因腐蚀而引起的材料浪费极其严重,研究和开发具有耐腐蚀性较好的材料对资源的节省具有重要意义.Zhang等通过激光表面合金化方法,在304不锈钢上制备了具有良好冶金结合性能的FeCoCrAlNi涂层,试验结果表明FeCoCrAlNi涂层的显微硬度是304不锈钢的3倍,在3.5%的NaCl溶液中,其抗空蚀性能是304不锈钢的7.6倍左右,电流密度比304不锈钢降低了一个数量级.Ye等采用激光表面合金化的方法制备了CrMnFeCoNi涂层,并在3.5%的NaCl和0.5mol/L H2SO4溶液中进行了电位动态极化试验,结果表明HEAs涂层的耐蚀性能均优于A36钢基体,腐蚀电流甚至低于304不锈钢.高熵合金作为一种新开发的多主元合金,了基于单一多数主体元素的传统合金的设计限制,具有提高耐腐蚀性的潜力.这表明这些具有的内在耐腐蚀性的新型合金,在恶劣环境的应用中具有的经济和安全益处.
难熔高熵合金主要是由铌、钼、钽、钨、锆、钒等抗氧化性较差的高熔点元素作为主元,在高温氧化过程中难以生成致密的氧化物来阻碍氧内扩散。对于难熔高熵合金通常研究钨、钼等在氧化过程中的作用。针对高熵合金的实际开发需求,可以从涂层、热处理工艺和制备方法等方面优化高熵合金的氧化性能。