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几千年以来,人类一直把金、银、铜、铁和锡等金属作为工具、器具、武器、饰品的主要材料。然而,纯金属的性能往往不能够满足生产的需要。工业革命之后的近百年来,人类开发了数量庞大的合金体系,材料加工技术更是飞速的发展,使人类的生活水平得到了明显提升。
业界周知,传统合金都是以一种金属元素为主要元素,使其作为基本组元,再在此基础上添加不同的合金元素以获得具有某些特定性能,现在已经被人类广泛应用的如铁合金、铝合金、镁合金、钛合金等。 随着科技的发展,人类需求的提高,尤其是对太空、深海探测的渴望,人类对材料的物理和力学性能的要求越来越高,传统合金、传统制备方法已经很难满足这种需求,合金面临严峻的挑战。然而,传统合金体系的设计思想都是以一种或者两种组元为基本组元,在此基础上添加少量其它元素来改善其性能,这种设计思想导致合金的晶体结构、物理、力学性能皆受制于主元素,对合金的综合性能有不利影响,多组元合金正是基于这种思考发展起来。

今天我们要聊的是具有突破传统材料诸多性能极限、最具潜力的合金材料——高熵合金。

2004 年,台湾学者叶均蔚提出了一种全新的合金设计模式,开创了金属材料全新的研究领域—多组元高熵合金。这种设计模式打破了传统合金的设计思想,即合金不再以单一元素为主,而是采用多种主要元素为基本组元。这种设计模式一经提出,便受到了学术界广泛的关注与讨论。 高熵合金被认为是最近几十年来合金化理论的三大突破之一。是一个可合成、分析和控制的合金新世界,可以开发出大量的高技术材料,而且可以采用传统的熔铸、锻造、粉末冶金、喷涂法及镀膜法来制作块材、泰国或薄膜,对于传统的钢铁产业无疑是“柳暗花明又一村”。高熵合金通常包含 5 种以上的主要元素,各主元的原子分数在 5%~35% 之间,其组织和性能在许多方面有别于传统合金。就实用性而言,若无法找到功能合适的传统合金,高熵合金或许可以适用。

自高熵合金的概念提出之后,引起了人们对其研究的高度重视,由于高熵合金具有优异的力学性能、摩擦磨损性能、耐腐蚀性、耐高温等性能,成为未来最有发展潜力的新型材料之一。

世界各国关于高熵合金的研究进展

专题 | Mater.Sci.Eng.A:强度和延展性完美结合的FCC高碳高熵合金

近年来,高熵合金因其作为高性能结构材料的潜在应用而备受关注。FCC(面心立方)结构的高熵合金具有较好的塑性和低温断裂韧性,是目前广为研究的合金之一。

专题 | Nature: 麻省理工学院领衔制备出“亚稳态高熵双相合金”优化 材料的强-韧性能

合金并不是一种新的材料,事实上它的发展应用从 7000 多年前的青铜时代就已经开始了。传统意义上的合金的主要成分为金属,其他成分只是占配方的一小部分,而且大多数的冶金机制提高强度都会导致延展性的损失。然而最新的一项研究则脑洞大开,完全推翻了这一传统,打开了一扇前所未有的通向新类合金的大门。

专题 | 美国空军实验室综述:高熵合金的特点及其研究现状

多主元素合金(MPEAs)和高熵合金(HEAs)的首次成果出现在同一年。在 1970 年代后期,MPEAs 的最初是本科毕业论文,随后于 1998 年又开设了另一个本科项目,最后,在 2002 年的一次会议上发布。在 1996 年,HEA 内容发表了一系列论文,随后又出版了 5篇文章。最后,“高熵合金”和“多主元素合金”术语统一为 MPEAs。

专题 | 一种高性能超低温材料:高熵合金

SCIENCE CHINA Materials 近期在线发表的一篇论文深入研究了 CoCrFeNi 高熵合金的超低温服役行为,发现液氦环境下孪晶主导的变形机制引发了锯齿流变行为,变形孪晶和相变行为的共同作用导致了其优异的力学性能。

专题 | 华南理工制备出目前断裂强度最高的高熵合金, 成果在Science子刊发表

金属材料对于现代社会的意义,就如同骨骼对于人体,是支撑起人类文明的脊梁。如何提高金属结构材料的强度一直是研究者关注的焦点。高熵合金打破传统金属以单一元素作为主元的限制,展现出独特的力学和物理性能,是近年来金属材料领域研究热点之一。其成分的可设计性和可调节性有利于形成特殊的微观组织结构,进而获得超高的强度。

专题 | 新型合金 可让核电站更坚固耐用

核反应堆外壳会遭到辐射经年持久的破坏,进而造成了高昂的维修费用。现在,一种新型的合金可以让它更坚固。

专题 | 科大吕昭平团队Nature Communications: 极端压力条件下高熵合金的多形性转变

北京科技大学新金属材料国家重点实验室吕昭平团队发现高熵合金的多形性转变。国际学术西甲《自然 • 通讯》以研究论文的形式于 2017 年 6 月 1 日在线发表了这一研究新进展。

专题 | 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Sci.Adv.:钨基高熵合金的出色耐辐射性

磁聚变反应堆中的关键部件,比如偏滤器或等离子体材料,都需要满足一些性能要求,包括低活化、高熔点、良好的机械性能、低溅射腐蚀和低氚保留/ 共沉积。这些部件必须在高温下长时间运行,在暴露于大等离子体热量和高能中性氢同位素(D 和 T)的情况下,不会发生故障或大面积侵蚀。

专题 | Nature封面报道高熵合金:更强、更韧、更具延展性

2016 年 5 月 18 日,Nature 封 面 报道了新加坡自由撰稿人 XiaoZhi Lim 的一 篇 题 为《Mixed-up metals make forstronger, tougher, stretchier alloys》(混合金属制造更强、更硬、更具延展性的合金),介绍高熵合金相关进展。

专题 | 胡良兵Nature时隔一月又发Science封面:合成八种元素的高熵合金

多金属纳米粒子(NMNPs)有着广泛的应用领域,包括催化,能量储存和生物 / 等离子体激元成像。将多种金属元素合金合成单个纳米级产品提供了可能会超过单一元素(或一元)纳米粒子材料性能的前景。制备 NMNPs 的当前和主要途径来自湿化学合成,可以获得各种粒度,形状和相。然而,大多数通过湿化学方法的研究报告中合金组成不超过三种元素,这限制了组成空间。此外,更多的合成技术,包括基于印刷和光刻的方法,已经将组元向四元甚至五元纳米结构转移。

专题 | Acta Materialia:析出强化型FeCoNiCrTi0.2高熵合金在室温及低温状态下的优异拉伸性能

利用传统的合金设计概念寻找有用材料时,人们通常关注相图的边缘区域。近年来,具有等原子或近等原子浓度的单相高熵合金作为一类新型结构材料,迅速引起了人们的广泛关注,研究人员开始关注相图的中间区域。一些面心立方结构的单相高熵合金表现出优异的抗辐射能力和出色的低温机械性能,因此在极端环境下的工程应用中,有着广阔的应用前景。

专题 | 上海大学Acta Materialia : 异质高熵合金一种简便且可工业化推广的途径

高熵合金(High-entropy alloys,简称HEAs),通常由五种(或以上)等原子比或相近等原子比的金属元素混合制成的新型合金。由于这种合金在设计具有优异机械、物理和化学性能的新材料方面具有很大潜力,目前在材料科学和工程领域备受关注。然而,和传统合金一样,高熵合金也存在一个关键的缺点:合金的强度越高,其延展性和韧性越小。

专题 | 德国马普所Acta Materialia:间隙等原子比CoCrFeMnNi高熵合金: 碳含量、微观结构和成分均匀性对变形行为的影响

含有多种主要元素的高熵合金(HEAs),也称为成分集中 ( 或复杂 ) 合金 (CCAs),在设计具有优异机械、物理和化学性能的新型材料方面显示出巨大潜力。

专题 | Nat. Commun.:亚稳高熵合金中的孪晶

孪生是高熵合金,同时提高强度和延展性的基本机制,但其机理研究仍不明确。因为在室温和低温条件下,许多高熵合金机械和热力学性能是不稳定的,给孪生现象和其理论模型研究增加了难度。本文采用第一性原理的计算方法,研究了高熵合金中孪晶的产生原因,解释了塑性变形机制不适合高熵合金的原因。

专题 | PRL刊登浙江大学交叉力学中心在高强高韧HCP高熵合金研究成果

近日,浙江大学交叉力学中心联合德国马普钢铁研究所提出了运用高熵合金 (HEA) 概念设计新型高性能密排六方(HCP)合金的理念。相关成果以“Nonbasalslip systems enable a strong and ductilehexagonal-close-packed high-entropyphase” 为 题 发 表 在《Physical ReviewLetters》杂志上。交叉力学中心博士生卜叶强和马普钢铁研究所李志明博士为共同第一作者,交叉力学中心王宏涛教授、刘嘉斌副教授和马普钢铁研究

专题 | 剑桥大学A.L. Greer天津大学A. Inoue Acta Mater.: 利用高熵合金制备新型稳定的高强纳米合金

大块金属玻璃常为 Zr 和 Fe 基合金系统,很少有关于其他多组分合金的报道。最近研究发现:Fe-Co-Ni-Cr-B 高熵合金能够形成均匀的纳米级 Cr 5 B 3 团簇的非晶相。通过 Mo 部分替代 Cr,能够拓宽形成非晶相的硼的含量范围。

业界视点

业界视点 | Mn、V、Mo、Ti、Zr元素对AlFeCrCoCu-X高熵合金组织与高温氧化性能的影响

高熵合金是近年来伴随大块非晶合金和金属间化合物发展起来的一类没有单一主导元素的新金属材料,它由5~13种主要元素组成,每种元素的摩尔分数控制在5%~35%之间。已有的研究表明,高熵合金凝固后不仅不会形成数目众多的金属间化合物,反而会形成简单的 FCC 或 BCC 固溶体,原因初步认为是高熵合金具有较高的混合熵抑制了金属间化合物的形成。

业界视点 | 高熵合金腐蚀性能研究进展

有别于基于一种主要元素的传统合金设计方法 , 高熵合金的设计在开发具有特定性能的新型材料领域开辟了一条新的途径。高熵合金可以宽泛地定义为由 5 种或者 5 种以上等摩尔的元素组成的一种固溶体。

业界视点 | 高熵合金新材料的研究进展

人们通常根据材料的使用 , 将人类生活的时代划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代 , 由此可见 , 金属材料的发展对人类文明有着极大的影响。而今 , 随着航空、航天、电子、

业界视点 | 高熵合金泰国制备及其应用的研究进展

传统的合金设计理念是以一种或两种元素为主元 , 通过添加少量的其他元素实现合金性能的改善和提升。基于这种理念 , 科学家研究出了许多具有重大应用价值的合金体系 , 如以铁元素为主元的钢铁合金体系和以铝元素为主元的铝合金体系等。该理念认为 , 随着合金体系中组元数量的增多 , 会导致脆性金属间化合物以及其他复杂相的出现 , 使得材料性能恶化并且难以分析。因此 ,目前仅有 30 余种合金体系在工业中得到广泛应用。随着工业需求的提升 , 传统合金体系的局限性日益明显。

业界视点 | AlCoCrFeNiCu高熵合金的万博腐蚀性能研究

高熵合金是一种快速发展的新型金属材料,由5 种以上的主要元素组成, 且每一元素的含量介于5% ~ 35%。高熵效应抑制了金属间化合物的形成,促进了元素间混合形成简单的固溶体甚至非晶相。

业界视点 | 高熵合金基复合材料研究进展

随着现代化科技的迅速发展 , 人们对新材料的需求日益强烈 , 对材料在不同工况下的质量性能要求愈来愈高 , 因此 , 众多科研人员对复合材料的研究愈来愈深入 , 依据严格的性能要求和更加恶劣的服役条件 , 外加或原位生成各种碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等 ,制备出的各种复合材料 , 已成功应用于工业和实际生产中。

未来展望

高熵合金的研究具有前瞻性,具有学术研究及应用价值。经过二十多年的发展,不仅展示了其潜在应用的价值,也在科学上向人们提出了诸多的挑战。高熵合金有独特的组织特征和性能,有很好的科学意义。

随着飞机发动机用的高温合金和大块金属非晶材料中合金元素种类越来越多,含量越来越高,高熵合金的研究也有望对这些重要材料的发展提供很好的理论指导。

另外,由于应用潜力多元化,面对的产业也多元化,因此传统合金工业的升级及高科技产业的发展也将为高熵合金开辟无限发挥的空间,对传统冶金和钢铁行业的提升无疑具有重要意义。

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