傳統(tǒng)合金：以1~2種金屬為主，并通過(guò)添加特定的少量其他元素，采用不同工藝來(lái)獲得不同性能的合金。
缺點(diǎn)：根據(jù)吉布斯相率F=C-P+1（F-自由度，C-組元數(shù)，P-相數(shù)，由成分和溫度兩個(gè)因素確定（壓力為常數(shù)）），增加組成合金的金屬種類(lèi)，合金內(nèi)部就會(huì)析出大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的脆性金屬間化合物或中間相，導(dǎo)致合金性能惡化，給材料組織，成分分析帶來(lái)極大的困難。
高熵合金(High-Entropy Alloys)簡(jiǎn)稱(chēng)HEAs。是一類(lèi)具有優(yōu)異性能的新型材料,以其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性能、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)受到科學(xué)界廣泛關(guān)注。
高熵合金是由五種以上元素，每種元素的原子分?jǐn)?shù)在5%到35%之間，各元素原子隨機(jī)占據(jù)一個(gè)晶格點(diǎn)位的晶體，已經(jīng)報(bào)道的典型合金有:葉均蔚等發(fā)現(xiàn)的以CoCrCuFeNi為代表的面心立方固溶體結(jié)構(gòu)的合金；張勇等發(fā)現(xiàn)的以A1CoCrFeNi為代表的體心立方固溶體結(jié)構(gòu)的合金。
高熵合金粉末圖源：天久金屬
如今，高熵概念被廣泛應(yīng)用于各種材料，如氧化物、硫族化合物和鹵化物；高熵態(tài)產(chǎn)生了多種改進(jìn)功能；如熱電性能、磁熱效應(yīng)、催化效應(yīng)等。
1.高溫性能的應(yīng)用
無(wú)論何種類(lèi)型，熱機(jī)的效率隨著溫度的升高而增加。如核能、燃煤和燃油等發(fā)電行業(yè)中，工作溫度的升高可以降低燃料消耗、污染和運(yùn)行成本。在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)中，工作溫度的增加可使性能改進(jìn)，例如更重的有效載荷、更大的速度和更大的范圍的組合等。目前發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件材料的開(kāi)發(fā)還是集中在Ni基高溫合金材料上，但由于其初始熔點(diǎn)大約在1300℃，鎳基高溫合金適用于溫度僅在1160~1277℃之間.因此，開(kāi)發(fā)具有更優(yōu)異高溫性能的發(fā)動(dòng)機(jī)部件材料變得至關(guān)重要。試驗(yàn)表明這兩種耐火HEAs在1600℃時(shí)的屈服強(qiáng)度超過(guò)400MPa，這遠(yuǎn)高于Inconel718 Ni基高溫合金在1000℃的屈服強(qiáng)度(低于200MPa)。熱機(jī)的開(kāi)發(fā)需要進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)部件材料的高溫性能。與Ni基高溫合金相比，HEAs在高溫下具有更高的穩(wěn)定性、更低的成本和密度、正的晶格失配，這表明這些合金由于具有吸引人的高溫機(jī)械性能，有可能取代Ni基高溫合金作為下一代高溫材料。
2.斷裂韌性的應(yīng)用
材料的斷裂往往關(guān)乎著安全的問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)失效應(yīng)變可以分為脆性和韌性斷裂。脆性斷裂沒(méi)有塑性變形的跡象，通常以災(zāi)難性方式發(fā)生，開(kāi)發(fā)具有卓越性能的新型金屬材料具有重要意義。據(jù)報(bào)道，當(dāng)溫度從298K下降到77K時(shí)，CrMnFeCoNi高熵合金的斷裂韌性幾乎保持恒定，而CrCoNi高熵合金的斷裂韌性略微增加。在這些HEAs中，沒(méi)有出現(xiàn)像鋼、非晶合金、鎂合金、多孔金屬和納米金屬等許多傳統(tǒng)合金那樣尖銳的韌脆轉(zhuǎn)變，這表明這些合金可能是極端寒冷條件下應(yīng)用的優(yōu)良候選材料，例如，用于船體、飛機(jī)和低溫儲(chǔ)存罐的材料等。
圖源：網(wǎng)絡(luò)
3.耐腐蝕性的應(yīng)用
我國(guó)每年因腐蝕而引起的材料浪費(fèi)極其嚴(yán)重，研究和開(kāi)發(fā)具有耐腐蝕性較好的材料對(duì)資源的節(jié)省具有重要意義。Zhang等通過(guò)激光表面合金化方法，在304不銹鋼上制備了具有良好冶金結(jié)合性能的FeCoCrAlNi涂層，試驗(yàn)結(jié)果表明FeCoCrAlNi涂層的顯微硬度是304不銹鋼的3倍，在3.5%的NaCl溶液中，其抗空蝕性能是304不銹鋼的7.6倍左右，電流密度比304不銹鋼降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。Ye等采用激光表面合金化的方法制備了CrMnFeCoNi涂層，并在3.5%的NaCl和0.5mol/L H2SO4溶液中進(jìn)行了電位動(dòng)態(tài)極化試驗(yàn)，結(jié)果表明HEAs涂層的耐蝕性能均優(yōu)于A36鋼基體，腐蝕電流甚至低于304不銹鋼。高熵合金作為一種新開(kāi)發(fā)的多主元合金，超越了基于單一多數(shù)主體元素的傳統(tǒng)合金的設(shè)計(jì)限制，具有提高耐腐蝕性的潛力。這表明這些具有優(yōu)異的內(nèi)在耐腐蝕性的新型合金，在惡劣環(huán)境的應(yīng)用中具有巨大的經(jīng)濟(jì)和安全益處。
1.高熵效應(yīng)
高熵效應(yīng)是HEA的標(biāo)志性概念，比較理想的形成熵與純金屬的焓(選定IM化合物的形成焓)可以得知，在具有5個(gè)或更多元素的近等摩爾合金中，其更有利于形成SS相而不是IM化合物。這時(shí)不考慮特殊組合，僅熵和焓的高低來(lái)分析常規(guī)的SS相和IM相.熵值也只考慮生成熵。雖然振動(dòng)、電子和磁性也影響其熵值，但是最主要的因素仍然是合金的結(jié)構(gòu)。
2.晶格畸變
嚴(yán)重的晶格畸變是因?yàn)楦哽叵嘀械牟煌映叽鐚?dǎo)致的。每個(gè)晶格位置的位移,取決于占據(jù)該位置的原子和局部環(huán)境中的原子類(lèi)型。這些畸變比傳統(tǒng)合金嚴(yán)重的多，這些變?cè)游恢玫牟淮_定性導(dǎo)致合金的形成焓較高，雖然在物理上,這可以降低X射線衍射峰的強(qiáng)度，增加硬度，降低電導(dǎo)率，降低合金的溫度依賴(lài)性。但是，仍然缺少系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)來(lái)定量描述這些性能的變化值是多少。例如，組成原子之間的剪切模量不匹配,也可能有助于硬化；局部鍵的變化也可能改變電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和相關(guān)的電子結(jié)構(gòu)。
3.緩慢的擴(kuò)散特點(diǎn)
在HAs中，擴(kuò)散是緩慢的，這可以在納米晶和非晶合金的形成和其顯微結(jié)構(gòu)中觀察到。
4."雞尾酒"效應(yīng)
首次"雞尾酒"效應(yīng)是S.Ranganathan教授使用的短語(yǔ)。最初的意圖是"一種愉快,愉快的混合物"。后來(lái)，它意味著一種協(xié)同混合物，最終結(jié)果是不可預(yù)測(cè)，且大于各部分的總和。這個(gè)短語(yǔ)描述了三種不同的合金類(lèi)別；大塊金屬玻璃、超彈性和超塑性金屬以及HEAs。這些合金都是多主元素合金。"雞尾酒"效應(yīng)表征了無(wú)定形大塊金屬玻璃的結(jié)構(gòu)和功能特性。
與其他"核心效應(yīng)"不同, "雞尾酒"效應(yīng)不是假設(shè)，也不需要證明，“雞尾酒效應(yīng)"的意思是特殊的材料特性，通常源于意想不到的協(xié)同作用，其他材料也可以這樣描述，包括物理性質(zhì)，例如接近零的熱膨脹系數(shù)或催化響應(yīng);功能特性,如熱電響應(yīng)或光電轉(zhuǎn)換、有超高強(qiáng)度,良好的斷裂韌性；抗疲勞性或延展性等結(jié)構(gòu)特性。文時(shí)材料的性質(zhì)主要依賴(lài)材料成分,微觀結(jié)構(gòu),電子結(jié)構(gòu)和其他特征。"雞尾酒"效應(yīng)揭示MPEAs的多元素組成和特殊的微觀結(jié)構(gòu),進(jìn)而產(chǎn)生非線性的意外結(jié)果。
高熵合金優(yōu)異的綜合性能使得其適用范圍寬廣。高熵合金軟磁性能優(yōu)異，且在力學(xué)性能、加工性能上優(yōu)于現(xiàn)有常規(guī)軟磁材料；高熵合金高溫穩(wěn)定性、高溫抗氧化性?xún)?yōu)異,可以應(yīng)用在極端環(huán)境中；高熵合金具有高硬度、高強(qiáng)度特點(diǎn)，可用作硬質(zhì)刀具涂層；除此之外,高熵合金還可以用作光熱轉(zhuǎn)換材料、輕質(zhì)合金材料、模具材料等。高熵合金可廣泛應(yīng)用在電機(jī)、變壓器、機(jī)床工具、消費(fèi)電子、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、噴氣飛機(jī)引擎、核聚變等眾多領(lǐng)域。
圖源：網(wǎng)絡(luò)
高熵合金的非晶形成能力較強(qiáng)，某些高熵合金能在鑄態(tài)組織中形成非晶相。而傳統(tǒng)合金要獲得非晶組織，需要極大的冷卻速度將液態(tài)原子無(wú)規(guī)則分布的組織保留到室溫。非晶態(tài)金屬的研究是近年來(lái)才興起的，由于結(jié)構(gòu)中無(wú)位錯(cuò)，具有很高的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、耐蝕性及特殊的磁學(xué)性能等，應(yīng)用也極為廣泛。制備非晶態(tài)高熵合金無(wú)疑將進(jìn)一步擴(kuò)大高熵合金的應(yīng)用領(lǐng)域。
高熵合金的種類(lèi)繁多，其顯微結(jié)構(gòu)和性能具有很高的研究?jī)r(jià)值。高熵效應(yīng)是調(diào)控其顯微組織和結(jié)構(gòu)的主要因素，目前這一領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)發(fā)展到了7個(gè)合金系列，每個(gè)合金系列包括6-7元素，已經(jīng)產(chǎn)生了超過(guò)408種新合金.在這408種合金中含有648種不同的微觀結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn),合金元素?cái)?shù)量和加工條件對(duì)其顯微結(jié)構(gòu)有顯著的影響。不同結(jié)構(gòu)的高熵合金，呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)性能和功能特點(diǎn)。高熵合金獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和廣泛合金種類(lèi)，為其結(jié)構(gòu)化應(yīng)用和功能化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
高熵合金粉末電鏡圖圖源：天久金屬
高熵合金是一個(gè)全新的合金領(lǐng)域，它跳出了傳統(tǒng)合金的設(shè)計(jì)框架、是具有許多優(yōu)異性能的、特殊合金系，調(diào)整其成分可以進(jìn)一步優(yōu)化性能，因而具有極為廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)有關(guān)高熵合金的研究才剛剛起步，雖然有不少研究者開(kāi)始關(guān)注此類(lèi)合金的研究，但相關(guān)數(shù)據(jù)尚屬實(shí)驗(yàn)室階段，未真正進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。若某一具體的高熵合金能夠獲得穩(wěn)定、可靠、具有工業(yè)參考價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將真正、快速地推動(dòng)高熵合金的研究和應(yīng)用，在工業(yè)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域?qū)⒛芸匆?jiàn)高熵合金的身影。
聲 明：文章內(nèi)容來(lái)源于材料圈。僅作分享，不代表本號(hào)立場(chǎng)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系小編刪除，謝謝！
