共晶高熵合金，凭啥让科研团队紧追其研究发展进程不放？ -山东化工网

共晶高熵合金，凭啥让科研团队紧追其研究发展进程不放？

文章来源：贤集网更新时间：2024-11-11 15:38:46

在当今材料科学领域的前沿探索中，共晶高熵合金（Eutectic High-Entropy Alloys, EHEAs）无疑是一颗备受瞩目的新星。近年来，其凭借独特的性能优势在国际上引起了广泛关注，而国内对于共晶高熵合金的研究也在不断推进，众多科研团队纷纷投身其中，致力于揭开这种新型材料的更多奥秘。它结合了共晶合金和高熵合金（HEAs）的优点，拥有良好的铸造性能与优越的综合力学性能，被视作一种革命性的材料体系，在诸多领域更是展现出了广阔的应用前景。接下来，让我们一同深入了解共晶高熵合金的相关情况，包括其早期研究背景、近年来不同方向的研究进展以及未来展望等方面。

一、共晶高熵合金概述及应用领域

共晶高熵合金（Eutectic High-Entropy Alloys, EHEAs）作为一种新型材料，近年来在材料科学领域引起了广泛关注。它结合了共晶合金和高熵合金（HEAs）的优点，具有良好的铸造性能和优越的综合力学性能，被视为一种革命性的材料体系。

共晶高熵合金在诸多领域展现出了广阔的应用前景。在航空航天领域，可应用于航空发动机叶片、涡轮盘等高温部件，能显著提高部件的耐高温性能和疲劳寿命；在汽车制造领域，用于汽车发动机缸体、曲轴等关键部件，能够提升发动机的性能和耐久性；在能源化工领域，可用于制造石油化工、核能等领域中耐腐蚀的管道、阀门等设备，确保生产过程的安全和稳定。

共晶高熵合金是指由五种或五种以上主要元素按等原子比或近似等原子比组成的，在凝固过程中形成共晶组织的合金。这类合金打破了传统合金的单一主元设计理念，通过多主元协同作用实现性能优化。共晶组织的形成不仅提高了合金的力学性能，还增强了其热稳定性和耐腐蚀性。

二、早期相关研究背景及基础研究情况

2004年，Yeh教授提出了高熵合金（HEAs）的概念，其被视为传统合金的突破。HEAs是一种由四种以上主要元素组成的“化学无序”合金，这些元素并不明显地分类为溶质或溶剂。HEAs的四个核心效应，即高熵效应、缓慢扩散效应、晶格畸变效应和“鸡尾酒”效应，使得HEAs通常表现出优异的机械性能。

然而，随着HEAs研究的深入，发现其在高强度与高延展性之间存在矛盾，这限制了其在材料加工工程中的进一步应用。此外，当时大多数HEAs是通过电弧熔炼制备的，由于HEAs内含有多种金属元素，容易出现流动性差和成分偏析，进而产生结构缺陷，几乎不可能制造出大尺寸的HEA铸锭。

共晶高熵合金（EHEAs）作为传统HEAs的突破，被视为理想解决方案。EHEAs通过调节共晶合金中的两相，可以同时获得高强度和良好的延展性。而且，作为共晶合金，相对较低的熔点和不存在液固混合区的特性，从根本上解决了HEAs的铸造性差和偏析严重的问题。当采用共晶合金的设计策略来制造HEAs时，得到的EHEAs同时具备了共晶合金和HEAs的优点，从而促进了其工业应用。

三、近年来不同方向的研究进展

制备方法及微观结构研究（早期阶段）：

共晶高熵合金的制备方法多样，主要包括熔炼法、粉末冶金法、定向凝固法等。熔炼法是最常用的制备方法之一，通过电弧熔炼、感应熔炼等手段将原料熔化后冷却凝固，形成共晶组织，该方法工艺简单，易于实现大规模生产。粉末冶金法通过球磨混合原料粉末，再经压制、烧结等工艺制备合金，此方法能够细化晶粒，提高合金的致密性和均匀性。定向凝固法利用温度梯度定向凝固技术，控制合金凝固过程中的热流方向，形成具有特定取向的共晶组织，所制备的合金具有优异的力学性能和热稳定性。

共晶高熵合金的微观结构复杂而独特，主要由共晶相和非共晶相组成。共晶相通常由多种金属间化合物组成，具有规则的层片状或棒状结构。非共晶相则分布在共晶相之间，起到连接和支撑作用。这种独特的微观结构使得共晶高熵合金在力学性能上表现出高强度、高硬度和良好的韧性。

力学性能相关研究及提升手段（中期阶段）：

1. 铸态力学性能

铸态共晶高熵合金展现了独特的力学性能，在铸态下即具有较高的强度与硬度，这归因于其独特的相结构和微观组织。研究表明，通过调控合金的组成元素比例及制备工艺，可以进一步优化铸态合金的力学性能，如提高屈服强度和抗拉强度。此外，铸态合金的韧性表现也是研究重点之一，其断裂机制和裂纹扩展行为受到广泛关注。

2. 热机械处理对力学性能的影响

热机械处理是提升共晶高熵合金力学性能的有效手段。通过合理的热处理工艺（如固溶处理、时效处理等）与机械变形（如轧制、锻造等）相结合，可以显著改善合金的相分布、晶粒尺寸和形状，从而增强合金的力学性能。具体来说，热机械处理能够细化晶粒、促进第二相析出并优化界面结构，进而提升合金的强度、硬度和韧性。此外，该处理还能改善合金的品性能和抗疲劳性能。

3. 单独热处理对力学性能的影响

单独的热处理也能对共晶高熵合金的力学性能产生显著影响。不同的热处理工艺（如退火、淬火、回火等）和参数（如温度、时间、冷却速率等）会导致合金内部相变、再结晶和析出行为的变化，从而影响其力学性能。例如，退火处理可以消除合金中的内应力和缺陷，提高合金的塑性和韧性；淬火处理则能够形成细小的亚稳相或马氏体组织，提高合金的硬度和强度。通过精确控制热处理工艺参数，可以实现对合金力学性能的精细调控。

特定体系合金的制备与性能研究（中期阶段）：

厦门理工学院彭思远博士联合华南理工大学、美国马萨诸塞大学和河海大学开展了相关研究，采用粉末热挤压再退火法制备了一种由非再结晶和再结晶晶粒组成的双相AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。所得合金具有优异的抗拉性能，屈服强度为~1.2 GPa，极限抗拉强度为~1.5 GPa，均匀伸长率为~18%。这种多尺度显微组织通过激活显著的异质变形诱导(HDI)应力导致AlCoCrFeNi2.1合金异常应变硬化。

在研究过程中发现，热挤压工艺结合了热压实和机械加工，相比冷轧方法，它可以生产出用于商业应用的大尺寸部件，生产效率高，表面质量好。迄今为止，热挤压工艺已广泛应用于纯金属、复合材料等粉末冶金加工。所制备的构件表现出充分致密的显微组织和优异的力学性能。退火态的AlCoCrFeNi2.共晶高熵合金试样表现出非均匀的显微组织，具有1182±15 MPa的高屈服强度和17.5±1.1%的大的均匀延伸率的优异组合，远远超过其他热机械加工的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金和常规合金如Al合金、Cu合金、Mg合金和Ti合金。相关研究成果以“High strength and ductility in a dual-phase hetero-structured AlCoCrFeNi2.1 eutectic high-entropy alloy by powder metallurgy”发表在Materials Research Letters上。

激光增材制造相关研究（近期阶段）：

随着技术的发展，激光增材制造在共晶高熵合金研究领域也崭露头角。与传统制造方法相比，激光增材制造突破了复杂异形构件的技术瓶颈，能够实现微观组织与宏观结构的控形控性，为高性能金属构件的低成本、短周期、净成形制造提供了一体化解决方案。选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）是制备高性能金属材料的主流激光增材制造技术之一。

西北工业大学苏海军教授团队报道了一种激光粉末床熔融制备新型SiC陶瓷颗粒增强共晶高熵合金复合材料新方法。他们将气雾化制备的球形AlCoCrFeNi2.1 EHEA粉末与喷雾造粒制备的球形SiC陶瓷粉末通过行星球磨机混合均匀，放置烘箱中干燥，得到选区激光熔化粉末原料。经过确定铺粉层厚和扫描间距，并对激光功率和扫描速率参数进行工艺优化，最终确定最佳工艺参数窗口为激光功率300W，扫描速率700mm/s，铺粉层厚50µm和扫描间距75µm。

在最优工艺参数下对复合材料样品的微观组织和晶粒特征进行观察，并进一步成形了大尺寸样件(50mm×9mm×10mm)，但在打印成形后在样件表面观察到了明显的裂纹缺陷，因此利用SEM和EBSD测试对开裂现象进行了深入分析。

室温拉伸测试结果表明，该复合材料的极限抗拉强度约为1.5GPa，延伸率为9%，处于目前采用激光增材制造工艺制备先进金属材料性能的领先水平。然而，在较大尺寸的复合材料构件中会出现严重的宏观横向和纵向裂纹，以及少量微裂纹。分析表明，凝固微裂纹的形成与碳和氧化物颗粒的聚集有关；由于长柱状晶的补液能力有限以及凝固收缩的作用，微裂纹在凝固最后阶段形成。宏观裂纹的形成是由试样边缘的拉应力积累引起的，微裂纹和孔隙所在的应力集中区是主要的扩展位置。相关工作以题为“Cracking behavior of newly-developed high strength eutectic high entropy alloy matrix composites manufactured by laser powder bed fusion”的研究论文发表在Journal of Materials Science & Technology。

四、共晶高熵合金的未来展望

目前对EHEAs及其在材料加工工程中的应用的研究仍然相对有限，在全面理解EHEAs及其潜力方面仍有很长的路要走。基于此，EHEAs及其在材料加工工程中的应用还有许多领域等待进一步探索：

目前，大多数关于EHEAs的研究集中在AlCoCrFeNi2.1体系上，而对其他EHEA体系的力学性能、变形行为和强化机制的研究相对有限。可以对已公开报道的其他EHEA体系进行深入探索，扩展对不同体系的高温稳定性、辐射损伤抗性、电气和磁性抗性等其他多功能性能方面的研究，结合不同温度和状态下各种EHEA体系的微观结构和性能，以了解EHEAs的共性规律。

对于加工工程的应用，可建立加工参数对EHEAs的微观结构的影响关系。通过控制和调节加工参数，可以优化EHEAs的形态和相组成，从而获得最突出的性能。从这个角度出发，建议将材料基因工程与材料加工工程模拟相结合，以深入了解EHEAs成分与加工参数之间的关系，不断扩展EHEAs的适用性和普遍性。以此为大规模生产EHEAs的实用技术提供理论和技术支持。

综上所述，共晶高熵合金作为一种极具潜力的新型材料，其研究在近年来取得了诸多进展，从制备方法、微观结构、力学性能提升到激光增材制造等方面都有涉及。虽然目前仍存在一些问题有待进一步研究解决，但随着研究的不断深入，相信共晶高熵合金将在更多领域发挥重要作用，推动材料科学领域的进一步发展。

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