輕質(zhì)高熵合金技術(shù)研究及粉末供應(yīng)

高熵合金（HEAs）的概念是臺灣學(xué)者葉均蔚教授在探索新型合金的過程中于2004年首次提出的。即由5種及以上元素組成，且各元素的原子分?jǐn)?shù)在 5%-35%之間的合金。高熵合金含有多種元素，且每種元素的含量相近，因此合金中不存在溶質(zhì)和溶劑原子之分。從而使得高熵合金表現(xiàn)出4大特性，即高熵效應(yīng)、緩慢擴(kuò)散效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)和“雞尾酒” 效應(yīng)。在這4大效應(yīng)的共同作用下，使得高熵合金具有了優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、高硬度、良好的耐腐蝕性、高的抗高溫軟化能力等。

目前材料應(yīng)用日趨輕量化，能源交通領(lǐng)域、軍事工業(yè)領(lǐng)域和航空航天領(lǐng)域等都需要性能更加良好的輕質(zhì)材料。而對于傳統(tǒng)的輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金等都存在著一些問題。如鋁合金和鎂合金的強(qiáng)度低，鈦合金價(jià)格昂貴等。高熵合金的概念被提出之后，研究者發(fā)現(xiàn)通過合理的組元設(shè)計(jì)，可以制備出具有良好力學(xué)性能且密度較低的輕質(zhì)高合金。目前關(guān)于輕質(zhì)高熵合金的定義主要有3類，分別是密度低于3g/cm3的高熵合金，密度接近傳統(tǒng)鈦合金（4.5ｇ/cm3）的高熵合金以及密度低于7g／cm3的高熵合金。

輕質(zhì)高熵合金體系

根據(jù)元素特性，輕質(zhì)高熵合金體系大概可分為3類：一是以常規(guī)金屬元素Al、Cr、Fe、Ni、Co等為主構(gòu)成的輕質(zhì)高熵合金體系；二是含有一種或幾種難熔金屬元素Nb、Mo、Ta、W的輕質(zhì)高熵合金體系；三是以Mg、Li等低密度元素為主的輕質(zhì)高熵合金體系。

常規(guī)金屬元素Al、Cr、Fe、Ni、Co構(gòu)成的輕質(zhì)高熵合金體系

在設(shè)計(jì)輕質(zhì)高熵合金時(shí)，常會選用 Al、Cr、Fe、Ni、 Co等一些常規(guī)元素。Sanchez等研制的3種新型輕質(zhì)高熵合金Al40Cu15Cr15Fe15Si15、Al65Cu5Cr5Si15Mn5Ti5、Al60Cu10Fe10Cr5Mn5Ni5Mg5，密度為3.7-4.6ｇ/cm3，具有極高的硬度743～916Hv。Tseng等利用真空電弧熔煉的方法制備的Al20Be20Fe10Si15Ti35輕質(zhì)高熵合金，具有極低的密度3.91g／cm3 和高的硬度 911Hv。如下圖所示，Al20Be20Fe10Si15Ti35表現(xiàn)出比大部分已報(bào) 道輕質(zhì)高熵合金都要高的比硬度。Chauhan等使用機(jī)械合金化的方法制備出了Al35Cr14Mg6Ti35V10輕質(zhì)高熵合金，該合金的密度為4.05g/cm3，接近于鈦合金的密度。但是擁有比傳統(tǒng)鈦合金更高的硬度460Hv。

不同輕質(zhì)高熵合金的比硬度

含有一種或幾種難熔金屬元素Nb、Mo、Ta、W的輕質(zhì)高熵合金體系

由于制備輕質(zhì)高熵合金所用的元素皆為輕質(zhì)元素，元素的熔點(diǎn)較低導(dǎo)致其高溫性能并不好，無法滿足航空航天領(lǐng)域的需要。因此在難熔高熵合金的基礎(chǔ)上，著力研究低密度難熔高熵合金，即向輕質(zhì)高熵合金體系中加入一些難熔的金屬元素，如Nb、Mo、Ta、W等，制備出具有較好高溫性能，且密度較低的難熔高熵合金。Stepanov等研究制備了一種新的輕質(zhì)高熵合金AlNbTiV，其密度為5.59g/cm3，具有較高的硬度448Hv，并且在800℃ 下具有685Mpa的壓縮強(qiáng)度，具有良好的高溫性能。之后，Stepanov 等研究了Al含量對AlxNbTiVZr合金微觀組織和性能的影響，合金的密度為6.49～5.55ｇ／cm3 ，硬度值為380-620Hv。AlNbTiVZr合金表現(xiàn)出高的壓縮屈服強(qiáng)度1320Mpa，但是隨著Al含量的增加壓縮強(qiáng)度不斷降低。在此基礎(chǔ)上，Stepanov等繼續(xù)研究了Cr 含量對AlCrｘNbTiV輕質(zhì)高熵合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。合金的密度為5.59～5.90g/cm3。隨著Cr含量的增加，合金的壓縮強(qiáng)度持續(xù)增加，但是塑性會隨之降低，且從室溫到800 ℃ ，隨著溫度的升高合金的壓縮強(qiáng)度不斷降低，但是塑性不斷增加。其中AlCr1.5NbTiV合金在800℃ 時(shí) 的壓縮強(qiáng)度為970MPa，表現(xiàn)出較高的高溫壓縮性能。

含有Mg、Li等超低密度元素的

輕質(zhì)高熵合金體系

為進(jìn)一步降低輕質(zhì)高熵合金的密度，使其密度低于傳統(tǒng)的鈦合金。有研究者使用Mg，Li等超低密度元素設(shè)計(jì)輕質(zhì)高熵合金。Youssef等研究制備了Al20Li20Mg20Sc20Ti20輕質(zhì)高熵合金，其密度低至2.67g/cm3，并且具有高的硬度499Hv，退火之后硬度亦不會降低。但是合金中所用的Li、Sc元素很昂貴，導(dǎo)致合金的制作成本相當(dāng)高，無法大規(guī)模使用。因此Yang等研究制備了AlLiMgZnSn、AlLi0.5MgZn0.5Sn0.2、AlLi0.5MgZn0.5Cu0.2、AlLi0.5MgCu0.5Sn0.2, ４種輕質(zhì)高熵合金，以及Al含量很高的Al80Li5Mg5Zn5Sn5、Al80Li5Mg5Zn5Cu5兩種輕質(zhì)高熵合金。這6種輕質(zhì)高熵合金的密度分布于2.87～ 3.88g/cm3，全部低于傳統(tǒng)的鈦合金,且AlLiMgZnSn表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度600Mpa，富Al的 AL80Li5Mg5Zn5Sn5和A80Li5Mg5Zn5Cu5合金表現(xiàn)出高的斷裂應(yīng)變，分別為16％,17％。另外，Du等研究制備了 AlLiMgCuCa輕質(zhì)高熵合金，其密度低至2.2g/cm3，且具有高的室溫壓縮斷裂強(qiáng)度910MPa。

輕質(zhì)高熵合金的制備方法

1. 熔鑄法

現(xiàn)在大多數(shù)高熵合金主要采用熔鑄法進(jìn)行制備。對于輕質(zhì)高熵合金來說，熔鑄法依舊適用。與其它制備合金的方法相比，通過熔鑄法制備合金具有熔煉時(shí)間短、成本低、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。熔鑄法可以分為真空電弧熔煉和真空感應(yīng)熔煉，但目前關(guān)于輕質(zhì)高熵合金的制備使用最多的是真空電弧熔煉。真空電弧熔煉是在氬氣氣氛保護(hù)下，利用鎢極在銅坩堝中進(jìn)行短時(shí)高溫熔煉，其熔煉溫度可以達(dá)到3000℃，能夠達(dá)到所有常用的用于設(shè)計(jì)輕質(zhì)高熵合金元素的熔點(diǎn)。然而，對于含有低熔點(diǎn)元素的輕質(zhì)高熵合金則不適用，因?yàn)檩^高的溫度可能會使該組分在熔煉的過程中蒸發(fā)而損耗，使得熔煉得到的合金成分不準(zhǔn)確。在這種情況下，則可以采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備含有熔點(diǎn)較低元素的輕質(zhì)高熵合金，即利用電磁感應(yīng)在金屬樣品中產(chǎn)生渦流的方法對金屬進(jìn)行熔煉。其優(yōu)點(diǎn)在于熔煉過程中可將合金中的一些雜質(zhì)元素，如：氫、氧、碳、氮等去除到較低水平，同時(shí)高溫熔煉也可使比基體蒸汽壓高的雜質(zhì)元素?fù)]發(fā)，因而提高合金的韌性、強(qiáng)度等綜合性能。

2.機(jī)械合金化和燒結(jié)法

目前，對于已報(bào)道的輕質(zhì)高熵合金來說有很少的一部分使用了機(jī)械合金化和燒結(jié)的方法進(jìn)行制備。由于輕質(zhì)元素之間的性質(zhì)差異較大，就導(dǎo)致了合金中各元素的熔點(diǎn)分布在一個(gè)較大的范圍內(nèi)。如：AlFeMgTiZn輕質(zhì)高熵合金中，Mg的熔點(diǎn)為650 ℃，而Ti的熔點(diǎn)為1668℃。而機(jī)械合金化的方法是通過高能球磨的方式將合金粉末充分混合均勻，經(jīng)過燒結(jié) 之后得到成分均勻的合金。由于球磨可以使合金粉末持續(xù)的變形、斷裂，顆粒間可以充分混合均勻。因此用這種方法制備的合金往往具有納米晶甚至非晶的結(jié)構(gòu)。Chauhan等使用高能行星球磨的方法制備了Al35Cr14Mg6Ti35V10輕質(zhì)高熵合金，并且研究了球磨時(shí)間對合金結(jié)構(gòu)的影響。隨著球磨時(shí)間的增加，合金的組織逐漸由兩個(gè)BCC 相和一個(gè)HCP相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)BCC相。

輕質(zhì)高熵合金的相結(jié)構(gòu)、制備方法、密度及力學(xué)性能

輕質(zhì)高熵合金各元素的基本參數(shù)

參考文獻(xiàn)：《輕質(zhì)高熵合金的研究進(jìn)展》，駱再斌，材料科學(xué)與工程學(xué)院

產(chǎn)品推介

高熵合金由于具有高強(qiáng)度、高硬度、高塑性、良好的耐磨性、耐蝕性、抗高溫軟化和低溫脆化及抗輻照性能，是較有應(yīng)力潛力的高性能結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)成為國內(nèi)外材料科學(xué)前沿領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向。我司順應(yīng)材料行業(yè)發(fā)展需求，推出多種牌號的高熵合金粉末，元素多樣，粒徑可控，庫存充足，適用于不同的應(yīng)用場景。#高熵合金粉末#