传统金属质料在颠末长达上百年的研究之后，其性能已经阐扬至更佳，很难再继续大幅度进步。跟着现代工业的高速开展，传统金属的性能已经逐步不克不及满足现代工业的需求。近年来，高熵合金被胜利开发出来，以其丰硕的组织，优良的性能不竭染指Nature/Science及子刊。笔者在猎奇心差遣下，看了金属质料范畴顶刊Acta Mater和Scripta Mater从2019年到如今引用最多的关于高熵合金(High entropy alloy)的研究，固然晓得高熵合金很火，但仍是吓了一跳：如图1所示， Scripta Mater 中的29篇高引文章中，有19篇是关于高熵合金的，有点像是“高熵合金专刊了”；Acta Mater中的30篇高引文章中，有13篇是关于高熵合金的，占比40%，几乎一半，别的一半就是金属3D打印和氢脆的研究了。
图1 高熵合金在Acta Mater和Scripta Mater期刊的高被引占比
高熵合金不只在应用于构造质料，还在功用质料的应用中大放异彩。固然间隔财产化还有很长的路要走，单高熵合金的开发估计在将来一段时间还会十分热门。笔者下面梳理一下2022年在染指国际顶刊的一些关于高熵合金的重要顶刊,让读者感触感染一下高熵合金的魅力。
1、在20K的超低温度下获得极高的断裂韧性
来自布里斯托大学的Robert O. Ritchie传授在20K的极低温度下测试了CrMnFeCoNi 和 CrCoNi和基金的断裂韧性。那两种合金可别离获得高达459MPa.m1/2和540 MPa.m1/2的断裂韧性。研究表白：层错的成核和限造生长，精细纳米孪晶和相变产生的ε马氏体，能够有效促进位错的障碍和传递，以产生强度和延展性。那些机造彼此渐进协同感化，有效的耽误了应变硬化，同时进步其强度和延展性，从而产生极高的韧性。低温下如斯高的断裂韧性为储氢质料的开展供给了新的思绪。
图2 CrCoNi和CrMnFeCoNi合金的J-R曲线和断裂韧性值随温度的变革规律[1]
2、高熵合金的更大强度和位错模子
高熵合金因为其复杂的成分，内部往往存在高浓度化学短程还有序构造(SRO)。SRO能否或若何影响最强尺寸、更大强度和潜在的变形机造。本工做操纵大规模原子模仿，摸索了CrCoNi合金中Hall-PEtch强化和变形机造的极限，并提醒了化学有序效应。SRO显著进步了层错的更大强度，降低了层错和构造改变的倾向，同时加强了平面滑移和应变部分化。取决于滑移面的数量，差别取向的晶粒表示出明显差别的变形微不雅构造和位错形式。单滑移面的晶粒变形诱导组织改变的体积分数更高，双滑移面的晶粒位错收集密度更大。本研究提出了一种通过裁剪晶粒织构和部分化学挨次来调整力学行为的机造战略。
图3 变形显微组织和部分塑性应变[2]
3、通过晶界弛豫极大进步纳米高熵合金的蠕变性能
蠕变失效每年城市招致大量的质料浪费和上亿万美圆的质料丧失，因而进步质料的蠕变性能关于十分重要。蠕变分为扩散蠕变和位错蠕变，此中晶界(GB)在整个蠕变过程中饰演着重要的感化。因为晶界是原子快速扩散的通道，过多的晶界对蠕变性能十分倒霉。所以纳米晶金属凡是具有十分低的蠕变抗力。本文陈述了一种利用不变GB网按捺蠕变的差别战略。塑性变形触发了纳米级镍钴铬合金中高密度GBs的构造弛豫，构成了具有丰硕孪晶界的不变GBs网。不变的GB网有效地按捺了高温扩散蠕变过程。那种战略获得了史无前例的抗蠕变性能，在700°C(~61%熔点)的千兆帕斯卡应力下，蠕变速度为每秒10-7，优于传统高温合金。不变GB网为设想高性能的先辈合金供给了一个可行的规范。
图4 压痕蠕变响应及机理[3]
4、通过成份颠簸获得高强高塑性
当多晶质料的晶粒细化至纳米级别时，质料可获得高达2GPa的强度，但塑性则急剧降低，质料几乎不表示出任何加工硬化行为。本文操纵FCC纳米晶镍钴溶固体，获得了约2.3GPa的抗拉强度和约16%的延伸率。那种不寻常的抗拉强度和延展性的组合是通过在高浓度固溶体中的成分颠簸实现的。那种颠簸使层错能和晶格应变在1到10纳米范畴内随长度发作在三维空间发作变革，从而使得位错的运动遭到显著影响。成分颠簸让位错的运动变得迟缓，促进了它们的彼此感化、联锁和积累。同时，成分颠簸还促进了位错的存储，从而增加了应变硬化，进步了塑性。与此同时，沿位错线的别离段需要较小的激活体积，因而应变率敏感性增加，那也不变了拉伸趋向。本工做创造的抗位错传布的海浪形构造供给了在高应力下连结拉伸延展性的强化机造。
图5 拉伸试验后察看NiCo中存储的位错[4]
5、具有不凡的Elinvar效应的高熵合金
高性能超弹性金属具有极高的强度、大的弹性应变极限和温度不敏感的弹性模量(Elinvar效应)，关于从施行器、医疗设备到高精度仪器的各类工业应用都十分重要。因为位错容易滑移，BCC金属的弹性应变极限凡是小于1%。外形记忆合金——包罗胶状金属和应变非晶合金——能够获得高达百分之几的弹性应变极限，但那是伪弹性的成果，并陪伴着庞大的能量耗散。那项工做陈述了一种具有大原子尺寸缺陷的高熵合金。该合金在室温下表示出很高的弹性应变极限(约2%)和十分低的内摩擦(小于2 × 10−4)。更有趣的是，那种合金表示出不凡的Elinvar效应，在室温到627摄氏度(900开尔文)之间连结近乎恒定的弹性模量，那是迄今为行报导的现有合金无法相比的。那种奇特的弹性特征组合可能会应用于需要恒定弹性刚度才气一般工做的高精度设备，例如在太空使命中利用的在宽温度范畴内工做的机械计时器。
图6 单晶Co25Ni25(HfTiZr)50合金的组织表征[5]
6、3D打印具有优良强塑性婚配的共晶高熵合金获打破
增材造造能够消费几乎任何形式的工程工程构建。激光粉末床熔合(L-PBF)金属合金的增材造造涉及大的温度梯度和快速冷却，那使得在纳米标准上的微不雅构造细化可以实现高强度。然而，通过激光增材造造消费的高强度纳米构造合金凡是具有有限的延展性。本工做利用L-PBF打印AlCoCrFeNi2.1的双相纳米层状高熵合金(HEAs)，该合金表示出约1.3GPa的高屈就强度和约14%的大平均伸长率的组合，超越了其他更先进的增材造造金属合金。面心立方纳米片层和体心立方纳米片层瓜代构成的双相构造有效障碍了位错运动，产生很强的街面强化，使得合金具有较高的屈就强度;别的，体心立方纳米片层比面心立方纳米片层表示出更高的强度和硬化速度。因为在微共晶集落中嵌入双相纳米薄片的分层构造具有较高的加工硬化才能，从而进步了各向同性力学性能，从而进步了拉伸塑性。对增材造造HEAs变形行为的力学见解对具有特殊力学性能的分层、双相和多相纳米构造合金的开展具有普遍的意义。
图7 增材造造的 AlCoCrFeNi2.1 EHEA的微不雅构造[6]
7、亚稳态高熵双相合金同时进步合金的强塑性
具有相变/孪晶诱导塑性的亚稳合金(TRIP/TWIP)能够克制构造质料中的强度-塑性彼此造约的问题。内禀层错能(ISFE)起源于传统合金的开展，已被应用于高熵合金(HEAs)的TRIP/TWIP裁剪，因为成分复杂，根据传统合金的思绪往往会招致失效。本工做展现了一种设想亚稳态HEAs的战略，并通过发现7种尝试察看到TRIP/TWIP亚稳态的合金来验证其有效性。次要提出了不不变层错能做为更有效的设想度量，并将亚稳面心立方合金的变形机造归因于不不变马氏体层错能量(UMFE)/不不变层错能量(UTFE)，而不是ISFE。在研究的HEAs和钢中，传统的ISFE原则在一半以上的情况下失效，而UMFE/UTFE原则在所有情况下都能准确预测变形机理。UMFE/UTFE原则为操纵TRIP/TWIP开发亚稳合金供给了一个有效的规范，以加强强度-塑性协同感化。
图8 设想工做流程。(A至C)通过热力学建模的fcc不变性和相位预测示企图；(B)通过热力学模子预测均一温度(1200℃)和室温下的相；(C)将所有组分fcc和hcp之间的吉布斯自在能差与两种参考合金停止比力，并将其分为较不不变fcc和较不变fcc；(D)基于DFT的变形机理预测。USFE,ISFE、UMFE和UTFE别离为不不变层错能、内禀层错能、不不变马氏体层错能和不不变孪层错能；(E和F)尝试设想验证[7]。
8、选择再结晶，让共晶高熵合金既强又塑
优良的延展性不只对成形至关重要，并且对强化金属和合金也至关重要。迄今为行，最普遍利用的共晶合金因为有限的塑性，在先辈构造质料中面对合作力下降的问题。共晶合金在人类文明史上占据了主导地位，如农业社会中的铸铁，现代工业中的铸造铝合金，以及先辈金属质料中的共晶高熵合金.本工做陈述了一种奇特的相选择再结晶概念，通过完全触发双相的应变硬化才能来克制共晶合金的那一挑战。本工做对共晶高熵合金(EHEA)中两相的应变分配行为停止了调控，得到了完全再结晶的软相嵌在硬相骨架中的相选择性再结晶显微组织。由此产生的微不雅组织消弭了弱鸿沟，充实释放了EHEA的应变硬化才能。相选择性再结晶EHEA在实应力为~ 2 GPa的情况下获得了~ 35%的高延性平均伸长率。那一概念适用于各类具有软硬相的双相合金，为传统共晶合金做为高强度金属质料开拓了新范畴。
图9 PSR EHEA的显微组织和力学性能；a-c，AC、FR和PSR EHEAs中FCC(上)和B2(下)相的电子背散射衍射(EBSD)反极图(IPF)图。插页显示响应的极图(PF)；d AC、FR、PSR EHEAs的拉伸实应力-应变曲线；e，与传统的AC、FR和UFG EHEAs比拟，现有的PSR和进一步强化的PSR EHEAs的极限抗拉强度与平均延伸率[8]。
综上所述：高熵合金能够满足几乎各个方面的力学性能，在弹性模量，高强高塑，蠕变性能等方面几乎阐扬出了无敌的优势。通过准确调控成分，高熵合金在将来的构造质料和功用质料方面还将大放异彩，将成为新一代工业的次要候选质料。
参考文献
[1] Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin; Science.
[2] Maximum strength and dislocation patterning in multi–PRincipal element alloys; Science Advances
[3] Inhibiting creep in nanograined alloys with stable grain boundary networks; Science
[4] Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation; Nature
[5] A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy；Nature
[6] Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing; Nature
[7] Xin Wang, Rafael Rodriguez De Vecchis, Chenyang Li et al. Design metastability in high-entropy alloys by tailoring unstable fault energies. Science Advances.
[8]Phase-selective recrystallization makes eutectic high-entropy alloys ultra-ductile; Nature communications
来源：质料人
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