高熵合金的优良性能和应用研究

贾云柯，杜艳晶，孙翠娟

（1.华北理工大学以升创新教育基地，河北 唐山 063210；2.华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063210）

高熵合金的出现，打破了传统合金的发展框架，是一种创新的合金，具有学术研究意义和很大的工业发展潜力。高熵合金是由5种～13种主要元素组成，每种元素的原子分数控制在5%～35%之间、合金的性质是多种元素集体性能的综合体现。目前研究最多的高熵合金一般为多主元，经熔炼、烧结等方法制成具有金属特性的合金。主要有FCC、BCC和HCP三大类固溶体高熵合金，其中HCP高熵合金较为鲜见[1]。不仅如此，高熵合金通过不同分元素配制可以获得种类繁多的新型合金。如今，高熵合金的研究深入到合金元素对高熵合金微观组织与性能的影响、密排六方结构高熵合金等方面，在高熵合金已研究方向的深入与未研究方向的拓展成为了关注的热点[2]。

1 多主元高熵合金的研究进展

高熵合金中主要元素的增多使合金产生高熵效应，合金倾向于形成简单的BCC或FCC，同时可能伴有第二相的生成，从而起到固溶强化、第二相强化的效果，使高熵合金的性能更加优越。

1.1 高熵合金的性能

1.1.1 力学性能

Tong等人研究了铝元素对CoCrCuFeNi五元高熵合金性能的影响，结果表明：随着铝元素含量的增加，合金系的硬度由CoCrCuFeNi合金的133HV增加到CoCrCuFeNiAl合金的655HV。这是由于合金中不断生成强硬的BCC相以及Al原子引起的固溶强化和纳米相第二相强化导致的。周云军等人发现：Ti元素的加入，合金的强度得到明显提高，并且高熵合金表现出优异的综合力学性能。

何俊阳等人分别测试了FeCoNiCrMn高熵合金在两种晶粒尺寸情况下的动态压缩、拉伸以及扭转性能，发现在这三种模式下，高熵合金均具有优良的综合动态强度及塑性。浙江大学陈陈旭以三种常见的高熵合金作为研究对象，通过高熵合金微观变形机理对高熵合金的塑性进行了一定的证明。Chen等人研究了元素Ti和V对Al0.5SCoCrCuFeNi高熵合金耐磨性的影响。结果发现：不同的Ti、V含量对耐磨性产生不同影响。

1.1.2 化学性能

Huang等人采用等离子喷涂的方法在氧化铝基材上制备出两种高熵合金涂层，测试涂层高温下的增重，得出高熵合金的氧化性。福建大学张华等人用真空电弧炉法制备三种高熵合金，测定出合金的抗高温氧化性和高温腐蚀性能，探索出高熵合金中Si和Ti对高温氧化和高温腐蚀特性的影响。

Lee等人研究了铸态AlSCoCrCuFeNi高熵合金在1mol/L硫酸溶液中的腐蚀行为，发现了高熵合金的耐腐蚀性。王龙等人采用等离子体五靶磁控溅射方法在X80基体上制得高熵合金耐蚀涂层，发现退火处理可释放部分涂层内应力，提高涂层耐局部腐蚀性能。郑州大学房伟峰等人研究了CuCrFeNiMn基高熵合金的微观组织和耐腐蚀性能等。

1.1.3 物理性能

北京科技大学左婷婷等人[3]在CoFeNi上添加A1、Si，设计出CoFeNi(AlSi)x系高熵合金，发现CoFeNiMnAl合金具有最高的饱和磁化强度。对于铸态下的CoFeNiMnAlx系合金，等原子比时达到最大值。过量铝元素会对合金的饱和磁化强度起到削弱作用，并且同金属中，FCC相有利于饱和磁化强度提高。

中国科学院物理研究所郭静副研究员等人对具有体心立方结构的高熵合金样品的超导电性进行了系统的原位超高压研究，发现该合金在压力下具有稳定零电阻的超导电性。S.Vrtnik指出不同组分TaNbHfZrTi系高熵合金在不同热处理条件下都存在超导现象，有序纳米结构、短程原子对的出现使临界温度略有不同。Yih-Farn Kao等人通过对四个不同原子浓度组分数的样品进行不同热处理，研究TaNbHfZrTi高熵合金HEA的超导电性，发现不同组分合金在不同热处理下的都存在超导现象。

1.2 高熵合金的组织结构

1.2.1 以固溶体为主

台湾清华大学的Tong等人通过添加不同含量的Al元素对ACoCrCuFeNi系高熵合金的组织结构及机械性能进行研究。结果发现，Al元素含量的变化对合金的结构产生了一定的影响。当Al含量小于0.5时，合金为单一的FCC结构；当Al含量达到0.8时，会发生共晶转变，合金表现为FCC和BCC组成的混合结构；当Al含量高于1.0时，会发生调幅分解，合金中有纳米相生成；直到铝含量大于2.8时，合金形成单一的BCC固溶体。

1.2.2 含有中间相

Canto等人研究了等原子比的16组元(Co，Cr，Fe，Mn，Ni，Cu，Ag，W，Mo，Nb，Al，Cd，Sn，Pb，Zn，Mg)和20组元(Co，Cr，Fe，Mn，Ni，Cu，Ag，W，Mo，Nb，Al，Cd，Sn，Pb，Zn，Mg，Bi，Ge，Si，Sb)的高熵合金的组织结构，结果发现：与CoCrFeMnNi高熵合金相比，这两种合金的组织中有复杂的脆硬相共存现象。Hsu等人研究了金属元素硼对CuCoNiCrAl0.5Fe高熵合金的影响，研究结果表明：硼元素添加会使合金中析出多种富含Fe、Cr的硼化物，并且随着硼元素含量的提高，硼化物数量会逐渐增多，合金的有序化程度也相应提高。

1.2.3 非晶组织

对于传统合金而言，特殊的热处理条件才能析出纳米结构相，但是对于高熵合金而言，铸态和完全回火态就能析出纳米相甚至非晶组织，结合相关的研究猜测此现象是由晶格畸变效应和缓慢扩散效应综合影响的。

2 展望

高熵合金作为一种新型金属材料，具有优良的性能，未来拥有广阔的发展前景。目前，国内外学者已在高熵合金的性能与组织结构等方面有一定的研究，并在合金的成分与制备工艺上取得新进展。然而，高熵合金的实际应用仍很少见，其主要原因仍在于制备工艺复杂、效率低、成本高等。不仅如此，高熵合金的性能、使用条件、应用领域等方面研究还不够完善，仍需要进一步深入与细化。此外，由于金属元素种类繁多，合金组成各种各样，只研究一种或两种元素添加对高熵合金的影响过于片面。因此在未来的研究当中，高熵合金的性能指标影响因素应进行合理的完善与总结。