高熵合金研究综述

赵 丹

(兰州工业学院 材料工程学院，甘肃 兰州 730050 )

0 引 言

叶均蔚等[1]打破了传统合金的设计理念，创新了合金的设计方法，提出了高熵合金的概念,目前对高熵合金研究处于基础研究阶段。高熵合金是由5种或者是5种以上的组元按照一定的比例配置，然后通过熔炼等方法得到的新型合金材料，每种组元的原子比在5～35%之间。高熵合金具有四大效应[2]：热力学上的高熵效应、动力学上的迟滞扩散、晶格畸变效应以及性能上的鸡尾酒效应。正因这些效应，高熵合金具有其自身的特征，这些特征是有别于传统合金，比如，通过调配组元配比可促使高熵合金形成简单晶体结构[3]，高熵合金还具有高硬度、高强度、良好的热稳定性等优良性能[4-5]，因此在材料需求不断增加的新时代，高熵合金备受研究者们的关注。笔者综述了高熵合金的有关研究文献，总结了不同主元、热处理对高熵合金组织及性能的影响，以及高熵合金作为焊接材料的研究现状。

1 不同主元对高熵合金组织及性能的影响

对高熵合金的研究目前处于基础研究阶段，而研究者常用的用来制备高熵合金的元素有：Fe、Cr、Co、Ni、Al、Ti、Si等元素。通过改变某一组元的含量，通过不同的手段去分析某一含量的变化对合金体系组织和性能的影响。赵丹等[6]研究了CoCrFeMnNiCux高熵合金的微观组织，测定了该体系合金的压缩曲线和显微硬度，研究发现随着铜含量的增加，合金的组织为树枝晶，晶体结构均为FCC结构，合金的抗压强度及显微硬度先增大后减小大的趋势。熊梅等[7]研究了Cr含量对FeNiMnCuCrx高熵合金微观结构和电化学性能的影响，该研究表明Cr含量增加对合金的组织结构没有产生影响，该体系高熵合金组织均是简单的FCC固溶体结构，但合金的组织形态发生了变化，由最初的柱状树枝晶向等轴树枝晶转变。同时，Cr的增加引起该合金体系自腐蚀电流密度出现了先增后减的变化趋势。李安敏等[8]研究了AlxCrCuFeNi高熵合金组织与性能，该研究发现随Al含量的增加，合金的晶体结构由fcc+bcc逐渐转变为bcc，由于晶体结构的变化使合金的硬度发生了变化。郝聪敏等[9]研究了AlFeCrCoTiCux高熵合金组织及力学性能，通过分析发现该体系高熵合金组织形态是树枝晶，枝晶间由富Cu的FCC相和ω相组成。随着Cu的增加，富Cu的FCC相和ω相增多，使得高熵合金的硬度和抗压强度随着Cu含量的增加而整体下降，这是因为由于Cu与其他金属元素的固溶性差，Cu的增加使更多Cu偏析于晶间，产生相分离，导致合金的整体硬度下降。

综上，高熵合金体系元素种类及含量不同，会对合金的组织及性能产生很大影响。基于此，可通过优化合金体系及含量制备出性能优异的材料，以满足不同服役环境及条件。

2 热处理对高熵合金组织和性能的影响

最初研究者致力于研究不同主元对高熵合金显微组织及性能的影响，但制备高熵合金的方法大多数是通过电弧炉熔炼而成，得到的合金是铸态合金。在高熵合金熔铸过程中易出现铸造缺陷，进而降低材料的性能及应用。因而研究者通过对铸态高熵合金的热处理，分析热处理对高熵合金组织及性能的影响。班煜峰等[10]研究了退火态AlFeCrCoNiMo高熵合金微观组织与硬度，该研究发现AlFeCrCoNiMo高熵合金在铸态和退火态时组织均为树枝晶，并且随着退火温度的升高，合金中FCC相减少，在枝晶间析出金属间化合物，导致高熵合金的硬度随退火温度的增大出现先增大后减小变化规律。吴兴财等[11]研究了不同退火温度对AlCoCrFeNi高熵合金组织结构及性能的影响，研究发现AlCoCrFeNi高熵合金铸态时的结构为BCC，随着退火温度升高，在枝晶间析出了金属间化合物，而退火温度越高析出的化合物量越多。当温度升高到900 ℃时，合金除了含有BCC相以及金属间化合物相之外，还出现了FCC相。马国峰等[12]研究了在575 ℃、685 ℃、875 ℃、1000 ℃温度下，对FeCoNiAlCrCu0.5高熵合金进行热处理，分析了不同温度下合金的组织及摩擦磨损性能。研究表明：该合金在铸态为BCC结构，热处理促进了扩散使得合金中出现了新相。由于各相的分布不均匀导致合金硬度分布不均匀，进而降低了合金的摩擦磨损性能。刘贵仲等[13]研究了不同退火温度对AlFeCuCoNiCrTi0、AlFeCuCoNiCrTi0.5、AlFeCuCoNiCrTi1高熵合金的退火组织及硬度的影响，退火温度不同合金中的相不同，进而对合金硬度产生影响。Niu等[14]研究了退火时Al0. 5CoCrFeNi高熵合金的拉伸性能。研究表明：在退火温度为650 ℃时，合金的强度随着退火时间的延长而增强，这是由于退火时在合金枝晶间产生了纳米级B2相，进而产生了纳米沉淀强化作用。农智升等[15]研究了不同退火温度对CrCuFeMnTi高熵合金组织结构和力学性能的影响，研究表明，随着退火温度的升高，合金硬度先增加后减小，断裂强度相比铸态下有所提高，但其断裂特征为脆性断裂。

综上，热处理工艺可对高熵合金的性能进行调整，以提高高熵合金的综合性能，进而扩宽高熵合金的应用范围。

3 高熵合金作为焊接材料的研究

徐锦峰等[16]为了抑制钢与钛焊接后形成脆性金属间化合物，依据焊缝金属高熵化设计思路，设计了Ti10Fe20Al20Ni25Cu25高熵合金，通过电阻点焊实现了TA2/Ti10Fe20Al20Ni25Cu25/Q235的连接，焊缝组织为bcc和fcc固溶体，而接头剪切强度最高到达144 MPa。刘玉林等[17]研究了高熵合金CoCrFeMnNi与铜扩散连接的界面组织及接头性能，通过该研究发现：Cu与CoCrFeMnNi高熵合金扩散焊接头连接良好，对形成的反应层分析发现其结构为FCC结构，并且拉伸断裂均发生在远离接头的铜侧。赵丹[18]研究了铜与CoCrFeMnNi高熵合金电子束焊接接头微观组织与接头性能，该研究表明，不同偏束距离下得到的Cu/CoCrFeMnNi高熵合金电子束焊接接头的焊缝组织均是FCC结构。所有焊接接头拉伸断裂均发生在较软的Cu侧，当偏束距离为0.3 mm时，Cu侧并没有出现铜的渗透裂纹。

综上，高熵合金作为焊接材料具有很大的发展潜力及应用前景。一方面，根据焊缝金属高熵化思路可以设计不同体系的高熵合金，以其解决异种材料焊接时物理化学成分的差异引起的焊缝缺陷。另一方面，为了更好满足科技发展对材料的需求，可以用开发性能优良的高熵合金，替代传统合金满足不了的场合。

4 结 语

高熵合金是一种具有诸多优良性能，并具有很大的应用价值的新型材料。其发展潜力大，有望成为新一代结构材料。但就目前的研究来说，对高熵合金研究还缺乏系统性及理论指导性。比如主元的含量对高熵合金的组织和性能将产生影响，但如何确定最优组合，目前只能通过实验方法验证、研究，而高熵合金涉及面广，体系庞大，因此探索最优体系的工作量大，缺乏理论指导，还需广大研究者进一步研究与探索。