高熵合金进展汇总

2024-09-06 10:51:08 来源：材料学网分享至：

1：北科大吕昭平、吴渊教授团队《Nature》子刊：单相轻质高强高熵铝合金

北京科技大学新金属材料国家重点实验室吕昭平、吴渊教授团队与北京高压科学研究中心曾桥石研究员合作，提出了一种新方法，通过高温高压手段，直接将铝基CCA中的多种脆性相转变为单相延性固溶体。成功开发出一种单相FCC结构的铝基CCA，Al₅₅Mg₃₅Li₅Zn₅，其密度低至2.40g/cm³（低于大多数铝合金 ~ 2.8g/cm³），比屈服强度达到344×10³N·m/kg（目前铝基合金通常约为200×10³N·m/kg）。分析表明，单相CCA的形成归因于高压下溶质元素与铝之间原子尺寸和电负性差异的减少，以及高温高压条件下的协同高熵效应。超高的强度来自于单一FCC晶格中多种元素导致的固溶强化，以及纳米级化学波动引起的位错钉扎效应。

相关工作以 “Lightweight single-phase Al-based complex concentrated alloy with high specific strength”为题在线发表在《Nature Communications》上。论文第一作者为博士生韩明亮。

2：阿德莱德大学&悉尼大学Acta Mater.：氮过饱和高熵合金，实现高强度高塑性

澳大利亚阿德莱德大学谢宗翰和陈玉洁团队和悉尼大学安祥海团队成功研发了一种氮过饱和的高熵合金，该合金在机械性能方面表现出色。这项研究的核心是将含量高达28.9 at.% 的氮原子引入Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金中，从而实现显著的固溶强化和相结构调整效果。尽管氮含量极高，这些合金仍保持固溶体相态，未形成氮化物。随着氮含量的增加，合金的微观结构经历了从单一面心立方（FCC）相到双相结构（FCC和六方密排（HCP）相），再回到主要为FCC相的转变。

该合金表现出高达20 GPa的硬度，这一数值接近于陶瓷材料的硬度，但同时保持了优异的抗损伤性能和塑性变形能力。研究表明，这些卓越的机械性能归因于高氮含量带来的大规模固溶强化、层级双相结构以及应力诱导的FCC到HCP相变及孪生。与传统氮化物的脆性不同，这些氮过饱和高熵合金展现出类似于金属材料的显著塑性变形能力，为提升合金的机械性能开辟了新的途径。

本研究成果以“Interstitial Engineering Enabling Superior Mechanical Properties of Nitrogen-Supersaturated Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀ High-Entropy Alloys“ 为题发表在国际著名期刊《Acta Materialia》上。论文第一作者为澳大利亚阿德莱德大学的陈玉洁博士，通讯作者为Jisheng Ma博士（莫纳什大学）和安祥海博士（悉尼大学）。其他作者还包括林悦铖博士生（阿德莱德大学）、Yvonne Hora（莫纳什大学）、Ashley Slattery博士（阿德莱德大学）、周志烽博士（香港城市大学）和谢宗翰教授（阿德莱德大学）。

3：Nat Commun：高熵合金中弹性应变诱导的非晶化

北京科技大学新金属材料国家重点实验室合金设计与模拟梯队吕昭平、吴渊教授团队与浙江大学合作者王宏涛、刘嘉斌教授等在《Nature Communications》上发表题为“Elastic strain-induced amorphization in high-entropy alloys”的文章。

弹性稳定性是晶体固体对外部刺激的结构响应的基础，包括熔化、初期塑性和断裂。这项工作中，吕昭平课题组与浙江大学联合提出，利用原位力学测试和透射电子显微镜的原子分辨率表征，研究一系列高熵合金(HEAs)的弹性稳定性。在拉伸载荷作用下，当弹性应变达到~10%时，HEA晶格的有序性突然消失。这种弹性应变诱导的非晶化，与先前报道的位错介导的弹性不稳定和缺陷积累介导的非晶化形成对比。结合第一性原理计算和原子分辨率化学映射，发现弹性应变诱导的非晶化与HEAs的局部原子环境不均匀性导致的位错成核抑制密切相关。本项研究结果诠释了弹性不稳定性和初期塑性等物理力学现象的基本性质。

TiHfZrNb试样的弹性应变诱导非晶化

4：南京理工大学Sci. Adv.：分级有序相强韧化中熵合金

南京理工大学材料学院纳米异构材料中心团队在高强韧多主元中熵合金设计研究方向取得新进展，在《Science Advances》上发表了题为《Ultrastrong and ductile medium-entropy alloys via hierarchical ordering》的研究论文。纳米异构材料中心团队研究人员提出分级有序相强韧化新理念，通过分级有序化在单相面心立方结构Ni₂CoFeV中熵合金中逐步引入三方晶体结构的κ有序相和立方结构的L12有序相来同时实现超高强度和优异塑性。添加过量Ni元素主要目的：一是稳定基体面心立方相，二是增加合金整体的价电子浓度，从而增强中温下κ相析出的驱动力。由于Ni-V，Co-V原子对之间具有较负的混合焓，导致Co，Ni，V原子之间存在较强的相互作用，从而形成了由不同成分组成的分级有序相弥散分布在无序fcc基体中（图1），最终使合金具有GPa级屈服强度和超过1.6 GPa的抗拉强度，同时在室温下保持了30%的优异塑性（图2）。微观结构表征揭示了在三相Ni₂CoFeV中熵合金内同时激活多种变形机制，增强变形过程中的加工硬化能力，延迟拉伸颈缩失稳，从而获得优异的塑性。

5：中南大学CEJ：通过构建双尺度高熵合金/聚合物互穿网络开发轻质高强高阻尼复合材料！

中南大学材料科学与工程学院李周教授和龚深教授等人提出了一种双尺度互穿网络设计策略，开发出双尺度CrMnFeCoNi/聚合物互穿相复合材料（IPCs）。在宏观尺度下，以具有热弹性马氏体相变和连通孔隙的Cr₂₀Mn₂₀Fe₂₀Co₃₅Ni₅（at.%）高熵形状记忆合金（HESMA）泡沫为骨架，将负载CrMnFeCoNi纳米合金的碳纳米管（CrMnFeCoNi@CNTs）与聚氨酯/环氧树脂互穿聚合物网络（PU/EP IPN）组成的复合体渗入到连通孔隙中，形成HESMA泡沫/聚合物互穿网络结构。该结构既能有效减轻阻尼合金的重量，又能弥补聚合物强度低和尺寸稳定性差的缺点，还在互穿相之间形成了高密度的界面。此外，HESMA和聚合物的结构完整性和连续性允许它们发挥各自的阻尼机制，通过叠加多重阻尼实现宽频域和宽温域内的高阻尼能力。在微观尺度下，形成高熵纳米合金/CNT/聚合物互穿网络结构能大幅增加聚合物内界面，提高其刚度和强度，拓宽其阻尼温域，还能在聚合物中形成连通的导热网络提高热能耗散能力。