一文读懂高熵合金
一文读懂高熵合金
高熵合金（High-Entropy Alloys，简称HEAs）是一种由5种或5种以上主要元素构成的新型合金材料，每种主要元素的原子分数在5%到35%之间。与传统合金不同，高熵合金在多种金属元素的混合下不会脆化，反而展现出优异的力学性能和独特的微观结构。本文将为您详细介绍高熵合金的定义、核心效应、应用前景以及未来发展方向。
图 高熵合金的发展
高熵合金的定义与微观结构
高熵合金的内部微观结构具有高度的混乱性，原子排布随机且无序。这种独特的微观结构是通过快速淬火技术实现的：当高温液态金属被快速冷却时，原子来不及重新排列就固定在了各自的位置，保持了液态时的随机分布状态。这种特殊的微观结构赋予了高熵合金优异的力学性能，使其在低温下具有良好的塑性，在高温下仍能保持较高的机械强度。
高熵合金的核心效应
高熵合金具有四个核心效应，这些效应共同决定了其独特的性能：
高熵效应：高熵效应是HEAs的标志性特征。研究表明，在具有5个或更多元素的近等摩尔合金中，其更有利于形成固溶体相而不是中间化合物。这种现象主要是由熵和焓的相互作用决定的。
晶格畸变：高熵合金中的不同原子尺寸导致严重的晶格畸变。这种畸变比传统合金更为显著，导致合金的形成焓较高。虽然这可以降低X射线衍射峰的强度，增加硬度，降低电导率，但仍然缺乏系统的实验数据来定量描述这些性能的变化。
缓慢的扩散特点：在HEAs中，原子扩散速度较慢，这在纳米晶和非晶合金的形成及其显微结构中可以观察到。
“鸡尾酒”效应：这一效应最早由S.Ranganathan教授提出，用于描述一种协同混合物，其最终结果是不可预测且大于各部分的总和。这种效应表征了无定形大块金属玻璃的结构和功能特性，通常源于意想不到的协同作用。
高熵合金的应用前景
高熵合金因其独特的性能，在多个领域展现出广阔的应用前景：
高温性能应用：试验表明，某些耐火HEAs在1600℃时的屈服强度超过400MPa，远高于Inconel 718 Ni基高温合金在1000℃的屈服强度（低于200MPa）。这表明HEAs在高温下具有更高的稳定性、更低的成本和密度，正的晶格失配，有望取代Ni基高温合金作为下一代高温材料。
断裂韧性应用：研究表明，CrMnFeCoNi高熵合金在极端低温下的断裂韧性几乎保持恒定，这表明这些合金可能是极端寒冷条件下应用的优良候选材料，例如用于船体、飞机和低温储存罐的材料。
耐腐蚀性应用：研究显示，通过激光表面合金化方法制备的FeCoCrAlNi涂层，其显微硬度是304不锈钢的3倍，在3.5%的NaCl溶液中的抗空蚀性能是304不锈钢的7.6倍。这表明高熵合金在恶劣环境的应用中具有巨大的经济和安全益处。
其他应用：高熵合金的非晶形成能力较强，某些高熵合金能在铸态组织中形成非晶相。非晶态金属具有很高的强度、硬度、塑性、韧性、耐蚀性及特殊的磁学性能等，应用极为广泛。
第一性原理在高熵合金研究中的应用
随着对高熵合金的不断深入研究，第一性原理计算方法在研究各种元素含量变化对高熵合金力学和微观结构的影响方面显示出重要价值。这种方法可以研究核外电子的运动和相互作用，有助于进一步解释高熵合金所具备的特殊性质。
高熵合金的发展趋势
从传统合金到高熵合金，材料的发展呈现了一个“熵增加”的发展趋势。然而，实验结果表明，混合熵与材料的性能之间为非线性关系，并非是合金材料的混合熵值越高，合金性能越好。根据统计获得的合金“性价比”图可以发现，最具性价比的区域不是高熵合金区域，而是位于中熵合金和高熵合金的交界处，例如高温合金、非晶合金、不锈钢、中熵合金等更具成本效益。所以这一区域将会是未来材料发展的关键区域。
高熵合金的种类繁多，其显微结构和性能具有很高的研究价值。目前这一领域的关注点已经发展到了7个合金系列，每个合金系列包括6-7元素，已经产生了超过408种新合金。在这408种合金中含有648种不同的微观结构。研究发现，合金元素数量和加工条件对其显微结构有显著的影响。不同结构的高熵合金，呈现出不同的结构性能和功能特点。高熵合金独特的结构和广泛合金种类，为其结构化应用和功能化应用提供了基础。
参考资料：
[1] 第一性原理计算Fe元素含量对高熵合金AlCoCrCuFexNi的影响_王兰馨
[2] 高熵合金的制备方法及其应用进展_李梦娇
[3] 各类高熵合金的研究进展_王根
[4] A critical review of high entropy alloys and related concepts（Acta Materialia, 2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2016.08.081）（由材料人翻译）