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共晶高熵合金，憑啥讓科研團隊緊追其研究發展進程不放？

文章來源：賢集網更新時間：2024-11-11 15:38:46

在當今材料科學領域的前沿探索中，共晶高熵合金（Eutectic High-Entropy Alloys, EHEAs）無疑是一顆備受矚目的新星。近年來，其憑借獨特的性能優勢在國際上引起了廣泛關注，而國內對于共晶高熵合金的研究也在不斷推進，眾多科研團隊紛紛投身其中，致力于揭開這種新型材料的更多奧秘。它結合了共晶合金和高熵合金（HEAs）的優點，擁有良好的鑄造性能與優越的綜合力學性能，被視作一種革命性的材料體系，在諸多領域更是展現出了廣闊的應用前景。接下來，讓我們一同深入了解共晶高熵合金的相關情況，包括其早期研究背景、近年來不同方向的研究進展以及未來展望等方面。

一、共晶高熵合金概述及應用領域

共晶高熵合金（Eutectic High-Entropy Alloys, EHEAs）作為一種新型材料，近年來在材料科學領域引起了廣泛關注。它結合了共晶合金和高熵合金（HEAs）的優點，具有良好的鑄造性能和優越的綜合力學性能，被視為一種革命性的材料體系。

共晶高熵合金在諸多領域展現出了廣闊的應用前景。在航空航天領域，可應用于航空發動機葉片、渦輪盤等高溫部件，能顯著提高部件的耐高溫性能和疲勞壽命；在汽車制造領域，用于汽車發動機缸體、曲軸等關鍵部件，能夠提升發動機的性能和耐久性；在能源化工領域，可用于制造石油化工、核能等領域中耐腐蝕的管道、閥門等設備，確保生產過程的安全和穩定。

共晶高熵合金是指由五種或五種以上主要元素按等原子比或近似等原子比組成的，在凝固過程中形成共晶組織的合金。這類合金打破了傳統合金的單一主元設計理念，通過多主元協同作用實現性能優化。共晶組織的形成不僅提高了合金的力學性能，還增強了其熱穩定性和耐腐蝕性。

二、早期相關研究背景及基礎研究情況

2004年，Yeh教授提出了高熵合金（HEAs）的概念，其被視為傳統合金的突破。HEAs是一種由四種以上主要元素組成的“化學無序”合金，這些元素并不明顯地分類為溶質或溶劑。HEAs的四個核心效應，即高熵效應、緩慢擴散效應、晶格畸變效應和“雞尾酒”效應，使得HEAs通常表現出優異的機械性能。

然而，隨著HEAs研究的深入，發現其在高強度與高延展性之間存在矛盾，這限制了其在材料加工工程中的進一步應用。此外，當時大多數HEAs是通過電弧熔煉制備的，由于HEAs內含有多種金屬元素，容易出現流動性差和成分偏析，進而產生結構缺陷，幾乎不可能制造出大尺寸的HEA鑄錠。

共晶高熵合金（EHEAs）作為傳統HEAs的突破，被視為理想解決方案。EHEAs通過調節共晶合金中的兩相，可以同時獲得高強度和良好的延展性。而且，作為共晶合金，相對較低的熔點和不存在液固混合區的特性，從根本上解決了HEAs的鑄造性差和偏析嚴重的問題。當采用共晶合金的設計策略來制造HEAs時，得到的EHEAs同時具備了共晶合金和HEAs的優點，從而促進了其工業應用。

三、近年來不同方向的研究進展

制備方法及微觀結構研究（早期階段）：

共晶高熵合金的制備方法多樣，主要包括熔煉法、粉末冶金法、定向凝固法等。熔煉法是最常用的制備方法之一，通過電弧熔煉、感應熔煉等手段將原料熔化后冷卻凝固，形成共晶組織，該方法工藝簡單，易于實現大規模生產。粉末冶金法通過球磨混合原料粉末，再經壓制、燒結等工藝制備合金，此方法能夠細化晶粒，提高合金的致密性和均勻性。定向凝固法利用溫度梯度定向凝固技術，控制合金凝固過程中的熱流方向，形成具有特定取向的共晶組織，所制備的合金具有優異的力學性能和熱穩定性。

共晶高熵合金的微觀結構復雜而獨特，主要由共晶相和非共晶相組成。共晶相通常由多種金屬間化合物組成，具有規則的層片狀或棒狀結構。非共晶相則分布在共晶相之間，起到連接和支撐作用。這種獨特的微觀結構使得共晶高熵合金在力學性能上表現出高強度、高硬度和良好的韌性。

力學性能相關研究及提升手段（中期階段）：

1. 鑄態力學性能

鑄態共晶高熵合金展現了獨特的力學性能，在鑄態下即具有較高的強度與硬度，這歸因于其獨特的相結構和微觀組織。研究表明，通過調控合金的組成元素比例及制備工藝，可以進一步優化鑄態合金的力學性能，如提高屈服強度和抗拉強度。此外，鑄態合金的韌性表現也是研究重點之一，其斷裂機制和裂紋擴展行為受到廣泛關注。

2. 熱機械處理對力學性能的影響

熱機械處理是提升共晶高熵合金力學性能的有效手段。通過合理的熱處理工藝（如固溶處理、時效處理等）與機械變形（如軋制、鍛造等）相結合，可以顯著改善合金的相分布、晶粒尺寸和形狀，從而增強合金的力學性能。具體來說，熱機械處理能夠細化晶粒、促進第二相析出并優化界面結構，進而提升合金的強度、硬度和韌性。此外，該處理還能改善合金的品性能和抗疲勞性能。

3. 單獨熱處理對力學性能的影響

單獨的熱處理也能對共晶高熵合金的力學性能產生顯著影響。不同的熱處理工藝（如退火、淬火、回火等）和參數（如溫度、時間、冷卻速率等）會導致合金內部相變、再結晶和析出行為的變化，從而影響其力學性能。例如，退火處理可以消除合金中的內應力和缺陷，提高合金的塑性和韌性；淬火處理則能夠形成細小的亞穩相或馬氏體組織，提高合金的硬度和強度。通過精確控制熱處理工藝參數，可以實現對合金力學性能的精細調控。

特定體系合金的制備與性能研究（中期階段）：

廈門理工學院彭思遠博士聯合華南理工大學、美國馬薩諸塞大學和河海大學開展了相關研究，采用粉末熱擠壓再退火法制備了一種由非再結晶和再結晶晶粒組成的雙相AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。所得合金具有優異的抗拉性能，屈服強度為~1.2 GPa，極限抗拉強度為~1.5 GPa，均勻伸長率為~18%。這種多尺度顯微組織通過激活顯著的異質變形誘導(HDI)應力導致AlCoCrFeNi2.1合金異常應變硬化。

在研究過程中發現，熱擠壓工藝結合了熱壓實和機械加工，相比冷軋方法，它可以生產出用于商業應用的大尺寸部件，生產效率高，表面質量好。迄今為止，熱擠壓工藝已廣泛應用于純金屬、復合材料等粉末冶金加工。所制備的構件表現出充分致密的顯微組織和優異的力學性能。退火態的AlCoCrFeNi2.共晶高熵合金試樣表現出非均勻的顯微組織，具有1182±15 MPa的高屈服強度和17.5±1.1%的大的均勻延伸率的優異組合，遠遠超過其他熱機械加工的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金和常規合金如Al合金、Cu合金、Mg合金和Ti合金。相關研究成果以“High strength and ductility in a dual-phase hetero-structured AlCoCrFeNi2.1 eutectic high-entropy alloy by powder metallurgy”發表在Materials Research Letters上。

激光增材制造相關研究（近期階段）：

隨著技術的發展，激光增材制造在共晶高熵合金研究領域也嶄露頭角。與傳統制造方法相比，激光增材制造突破了復雜異形構件的技術瓶頸，能夠實現微觀組織與宏觀結構的控形控性，為高性能金屬構件的低成本、短周期、凈成形制造提供了一體化解決方案。選區激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）是制備高性能金屬材料的主流激光增材制造技術之一。

西北工業大學蘇海軍教授團隊報道了一種激光粉末床熔融制備新型SiC陶瓷顆粒增強共晶高熵合金復合材料新方法。他們將氣霧化制備的球形AlCoCrFeNi2.1 EHEA粉末與噴霧造粒制備的球形SiC陶瓷粉末通過行星球磨機混合均勻，放置烘箱中干燥，得到選區激光熔化粉末原料。經過確定鋪粉層厚和掃描間距，并對激光功率和掃描速率參數進行工藝優化，最終確定最佳工藝參數窗口為激光功率300W，掃描速率700mm/s，鋪粉層厚50µm和掃描間距75µm。

在最優工藝參數下對復合材料樣品的微觀組織和晶粒特征進行觀察，并進一步成形了大尺寸樣件(50mm×9mm×10mm)，但在打印成形后在樣件表面觀察到了明顯的裂紋缺陷，因此利用SEM和EBSD測試對開裂現象進行了深入分析。

室溫拉伸測試結果表明，該復合材料的極限抗拉強度約為1.5GPa，延伸率為9%，處于目前采用激光增材制造工藝制備先進金屬材料性能的領先水平。然而，在較大尺寸的復合材料構件中會出現嚴重的宏觀橫向和縱向裂紋，以及少量微裂紋。分析表明，凝固微裂紋的形成與碳和氧化物顆粒的聚集有關；由于長柱狀晶的補液能力有限以及凝固收縮的作用，微裂紋在凝固最后階段形成。宏觀裂紋的形成是由試樣邊緣的拉應力積累引起的，微裂紋和孔隙所在的應力集中區是主要的擴展位置。相關工作以題為“Cracking behavior of newly-developed high strength eutectic high entropy alloy matrix composites manufactured by laser powder bed fusion”的研究論文發表在Journal of Materials Science & Technology。

四、共晶高熵合金的未來展望

目前對EHEAs及其在材料加工工程中的應用的研究仍然相對有限，在全面理解EHEAs及其潛力方面仍有很長的路要走。基于此，EHEAs及其在材料加工工程中的應用還有許多領域等待進一步探索：

目前，大多數關于EHEAs的研究集中在AlCoCrFeNi2.1體系上，而對其他EHEA體系的力學性能、變形行為和強化機制的研究相對有限。可以對已公開報道的其他EHEA體系進行深入探索，擴展對不同體系的高溫穩定性、輻射損傷抗性、電氣和磁性抗性等其他多功能性能方面的研究，結合不同溫度和狀態下各種EHEA體系的微觀結構和性能，以了解EHEAs的共性規律。

對于加工工程的應用，可建立加工參數對EHEAs的微觀結構的影響關系。通過控制和調節加工參數，可以優化EHEAs的形態和相組成，從而獲得最突出的性能。從這個角度出發，建議將材料基因工程與材料加工工程模擬相結合，以深入了解EHEAs成分與加工參數之間的關系，不斷擴展EHEAs的適用性和普遍性。以此為大規模生產EHEAs的實用技術提供理論和技術支持。

綜上所述，共晶高熵合金作為一種極具潛力的新型材料，其研究在近年來取得了諸多進展，從制備方法、微觀結構、力學性能提升到激光增材制造等方面都有涉及。雖然目前仍存在一些問題有待進一步研究解決，但隨著研究的不斷深入，相信共晶高熵合金將在更多領域發揮重要作用，推動材料科學領域的進一步發展。

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