幾千年以來,人類一直把金、銀、銅、鐵和錫等金屬作為工具、器具、武器、飾品的主要材料。然而,純金屬的性能往往不能夠滿足生產的需要。工業革命之后的近百年來,人類開發了數量龐大的合金體系,材料加工技術更是飛速的發展,使人類的生活水平得到了明顯提升。
業界周知,傳統合金都是以一種金屬元素為主要元素,使其作為基本組元,再在此基礎上添加不同的合金元素以獲得具有某些特定性能,現在已經被人類廣泛應用的如鐵合金、鋁合金、鎂合金、鈦合金等。 隨著科技的發展,人類需求的提高,尤其是對太空、深海探測的渴望,人類對材料的物理和力學性能的要求越來越高,傳統合金、傳統制備方法已經很難滿足這種需求,合金面臨嚴峻的挑戰。然而,傳統合金體系的設計思想都是以一種或者兩種組元為基本組元,在此基礎上添加少量其它元素來改善其性能,這種設計思想導致合金的晶體結構、物理、力學性能皆受制于主元素,對合金的綜合性能有不利影響,多組元合金正是基于這種思考發展起來。

今天我們要聊的是具有突破傳統材料諸多性能極限、最具潛力的合金材料——高熵合金。

2004 年,臺灣學者葉均蔚提出了一種全新的合金設計模式,開創了金屬材料全新的研究領域—多組元高熵合金。這種設計模式打破了傳統合金的設計思想,即合金不再以單一元素為主,而是采用多種主要元素為基本組元。這種設計模式一經提出,便受到了學術界廣泛的關注與討論。 高熵合金被認為是最近幾十年來合金化理論的三大突破之一。是一個可合成、分析和控制的合金新世界,可以開發出大量的高技術材料,而且可以采用傳統的熔鑄、鍛造、粉末冶金、噴涂法及鍍膜法來制作塊材、涂層或薄膜,對于傳統的鋼鐵產業無疑是“柳暗花明又一村”。高熵合金通常包含 5 種以上的主要元素,各主元的原子分數在 5%~35% 之間,其組織和性能在許多方面有別于傳統合金。就實用性而言,若無法找到功能合適的傳統合金,高熵合金或許可以適用。

自高熵合金的概念提出之后,引起了人們對其研究的高度重視,由于高熵合金具有優異的力學性能、摩擦磨損性能、耐腐蝕性、耐高溫等性能,成為未來最有發展潛力的新型材料之一。

世界各國關于高熵合金的研究進展

專題 | Mater.Sci.Eng.A:強度和延展性完美結合的FCC高碳高熵合金

近年來,高熵合金因其作為高性能結構材料的潛在應用而備受關注。FCC(面心立方)結構的高熵合金具有較好的塑性和低溫斷裂韌性,是目前廣為研究的合金之一。

專題 | Nature: 麻省理工學院領銜制備出“亞穩態高熵雙相合金”優化 材料的強-韌性能

合金并不是一種新的材料,事實上它的發展應用從 7000 多年前的青銅時代就已經開始了。傳統意義上的合金的主要成分為金屬,其他成分只是占配方的一小部分,而且大多數的冶金機制提高強度都會導致延展性的損失。然而最新的一項研究則腦洞大開,完全推翻了這一傳統,打開了一扇前所未有的通向新類合金的大門。

專題 | 美國空軍實驗室綜述:高熵合金的特點及其研究現狀

多主元素合金(MPEAs)和高熵合金(HEAs)的首次成果出現在同一年。在 1970 年代后期,MPEAs 的最初是本科畢業論文,隨后于 1998 年又開設了另一個本科項目,最后,在 2002 年的一次會議上發布。在 1996 年,HEA 內容發表了一系列論文,隨后又出版了 5篇文章。最后,“高熵合金”和“多主元素合金”術語統一為 MPEAs。

專題 | 一種高性能超低溫材料:高熵合金

SCIENCE CHINA Materials 近期在線發表的一篇論文深入研究了 CoCrFeNi 高熵合金的超低溫服役行為,發現液氦環境下孿晶主導的變形機制引發了鋸齒流變行為,變形孿晶和相變行為的共同作用導致了其優異的力學性能。

專題 | 華南理工制備出目前斷裂強度最高的高熵合金, 成果在Science子刊發表

金屬材料對于現代社會的意義,就如同骨骼對于人體,是支撐起人類文明的脊梁。如何提高金屬結構材料的強度一直是研究者關注的焦點。高熵合金打破傳統金屬以單一元素作為主元的限制,展現出獨特的力學和物理性能,是近年來金屬材料領域研究熱點之一。其成分的可設計性和可調節性有利于形成特殊的微觀組織結構,進而獲得超高的強度。

專題 | 新型合金 可讓核電站更堅固耐用

核反應堆外殼會遭到輻射經年持久的破壞,進而造成了高昂的維修費用。現在,一種新型的合金可以讓它更堅固。

專題 | 科大呂昭平團隊Nature Communications: 極端壓力條件下高熵合金的多形性轉變

北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室呂昭平團隊發現高熵合金的多形性轉變。國際學術期刊《自然 ? 通訊》以研究論文的形式于 2017 年 6 月 1 日在線發表了這一研究新進展。

專題 | 美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室Sci.Adv.:鎢基高熵合金的出色耐輻射性

磁聚變反應堆中的關鍵部件,比如偏濾器或等離子體材料,都需要滿足一些性能要求,包括低活化、高熔點、良好的機械性能、低濺射腐蝕和低氚保留/ 共沉積。這些部件必須在高溫下長時間運行,在暴露于大等離子體熱量和高能中性氫同位素(D 和 T)的情況下,不會發生故障或大面積侵蝕。

專題 | Nature封面報道高熵合金:更強、更韌、更具延展性

2016 年 5 月 18 日,Nature 封 面 報道了新加坡自由撰稿人 XiaoZhi Lim 的一 篇 題 為《Mixed-up metals make forstronger, tougher, stretchier alloys》(混合金屬制造更強、更硬、更具延展性的合金),介紹高熵合金相關進展。

專題 | 胡良兵Nature時隔一月又發Science封面:合成八種元素的高熵合金

多金屬納米粒子(NMNPs)有著廣泛的應用領域,包括催化,能量儲存和生物 / 等離子體激元成像。將多種金屬元素合金合成單個納米級產品提供了可能會超過單一元素(或一元)納米粒子材料性能的前景。制備 NMNPs 的當前和主要途徑來自濕化學合成,可以獲得各種粒度,形狀和相。然而,大多數通過濕化學方法的研究報告中合金組成不超過三種元素,這限制了組成空間。此外,更多的合成技術,包括基于印刷和光刻的方法,已經將組元向四元甚至五元納米結構轉移。

專題 | Acta Materialia:析出強化型FeCoNiCrTi0.2高熵合金在室溫及低溫狀態下的優異拉伸性能

利用傳統的合金設計概念尋找有用材料時,人們通常關注相圖的邊緣區域。近年來,具有等原子或近等原子濃度的單相高熵合金作為一類新型結構材料,迅速引起了人們的廣泛關注,研究人員開始關注相圖的中間區域。一些面心立方結構的單相高熵合金表現出優異的抗輻射能力和出色的低溫機械性能,因此在極端環境下的工程應用中,有著廣闊的應用前景。

專題 | 上海大學Acta Materialia : 異質高熵合金一種簡便且可工業化推廣的途徑

高熵合金(High-entropy alloys,簡稱HEAs),通常由五種(或以上)等原子比或相近等原子比的金屬元素混合制成的新型合金。由于這種合金在設計具有優異機械、物理和化學性能的新材料方面具有很大潛力,目前在材料科學和工程領域備受關注。然而,和傳統合金一樣,高熵合金也存在一個關鍵的缺點:合金的強度越高,其延展性和韌性越小。

專題 | 德國馬普所Acta Materialia:間隙等原子比CoCrFeMnNi高熵合金: 碳含量、微觀結構和成分均勻性對變形行為的影響

含有多種主要元素的高熵合金(HEAs),也稱為成分集中 ( 或復雜 ) 合金 (CCAs),在設計具有優異機械、物理和化學性能的新型材料方面顯示出巨大潛力。

專題 | Nat. Commun.:亞穩高熵合金中的孿晶

孿生是高熵合金,同時提高強度和延展性的基本機制,但其機理研究仍不明確。因為在室溫和低溫條件下,許多高熵合金機械和熱力學性能是不穩定的,給孿生現象和其理論模型研究增加了難度。本文采用第一性原理的計算方法,研究了高熵合金中孿晶的產生原因,解釋了塑性變形機制不適合高熵合金的原因。

專題 | PRL刊登浙江大學交叉力學中心在高強高韌HCP高熵合金研究成果

近日,浙江大學交叉力學中心聯合德國馬普鋼鐵研究所提出了運用高熵合金 (HEA) 概念設計新型高性能密排六方(HCP)合金的理念。相關成果以“Nonbasalslip systems enable a strong and ductilehexagonal-close-packed high-entropyphase” 為 題 發 表 在《Physical ReviewLetters》雜志上。交叉力學中心博士生卜葉強和馬普鋼鐵研究所李志明博士為共同第一作者,交叉力學中心王宏濤教授、劉嘉斌副教授和馬普鋼鐵研究

專題 | 劍橋大學A.L. Greer天津大學A. Inoue Acta Mater.: 利用高熵合金制備新型穩定的高強納米合金

大塊金屬玻璃常為 Zr 和 Fe 基合金系統,很少有關于其他多組分合金的報道。最近研究發現:Fe-Co-Ni-Cr-B 高熵合金能夠形成均勻的納米級 Cr 5 B 3 團簇的非晶相。通過 Mo 部分替代 Cr,能夠拓寬形成非晶相的硼的含量范圍。

業界視點

業界視點 | Mn、V、Mo、Ti、Zr元素對AlFeCrCoCu-X高熵合金組織與高溫氧化性能的影響

高熵合金是近年來伴隨大塊非晶合金和金屬間化合物發展起來的一類沒有單一主導元素的新金屬材料,它由5~13種主要元素組成,每種元素的摩爾分數控制在5%~35%之間。已有的研究表明,高熵合金凝固后不僅不會形成數目眾多的金屬間化合物,反而會形成簡單的 FCC 或 BCC 固溶體,原因初步認為是高熵合金具有較高的混合熵抑制了金屬間化合物的形成。

業界視點 | 高熵合金腐蝕性能研究進展

有別于基于一種主要元素的傳統合金設計方法 , 高熵合金的設計在開發具有特定性能的新型材料領域開辟了一條新的途徑。高熵合金可以寬泛地定義為由 5 種或者 5 種以上等摩爾的元素組成的一種固溶體。

業界視點 | 高熵合金新材料的研究進展

人們通常根據材料的使用 , 將人類生活的時代劃分為石器時代、青銅器時代、鐵器時代 , 由此可見 , 金屬材料的發展對人類文明有著極大的影響。而今 , 隨著航空、航天、電子、

業界視點 | 高熵合金涂層制備及其應用的研究進展

傳統的合金設計理念是以一種或兩種元素為主元 , 通過添加少量的其他元素實現合金性能的改善和提升。基于這種理念 , 科學家研究出了許多具有重大應用價值的合金體系 , 如以鐵元素為主元的鋼鐵合金體系和以鋁元素為主元的鋁合金體系等。該理念認為 , 隨著合金體系中組元數量的增多 , 會導致脆性金屬間化合物以及其他復雜相的出現 , 使得材料性能惡化并且難以分析。因此 ,目前僅有 30 余種合金體系在工業中得到廣泛應用。隨著工業需求的提升 , 傳統合金體系的局限性日益明顯。

業界視點 | AlCoCrFeNiCu高熵合金的電化學腐蝕性能研究

高熵合金是一種快速發展的新型金屬材料,由5 種以上的主要元素組成, 且每一元素的含量介于5% ~ 35%。高熵效應抑制了金屬間化合物的形成,促進了元素間混合形成簡單的固溶體甚至非晶相。

業界視點 | 高熵合金基復合材料研究進展

隨著現代化科技的迅速發展 , 人們對新材料的需求日益強烈 , 對材料在不同工況下的質量性能要求愈來愈高 , 因此 , 眾多科研人員對復合材料的研究愈來愈深入 , 依據嚴格的性能要求和更加惡劣的服役條件 , 外加或原位生成各種碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等 ,制備出的各種復合材料 , 已成功應用于工業和實際生產中。

未來展望

高熵合金的研究具有前瞻性,具有學術研究及應用價值。經過二十多年的發展,不僅展示了其潛在應用的價值,也在科學上向人們提出了諸多的挑戰。高熵合金有獨特的組織特征和性能,有很好的科學意義。

隨著飛機發動機用的高溫合金和大塊金屬非晶材料中合金元素種類越來越多,含量越來越高,高熵合金的研究也有望對這些重要材料的發展提供很好的理論指導。

另外,由于應用潛力多元化,面對的產業也多元化,因此傳統合金工業的升級及高科技產業的發展也將為高熵合金開辟無限發揮的空間,對傳統冶金和鋼鐵行業的提升無疑具有重要意義。

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