近年来，对具有优异机械性能和耐氢脆性的新型结构金属合金的需求日益增加，导致对新合金尤其是高熵合金（HEA）的研究越来越多。首个开发出的HEA具有约600MPa的强度，热加工能够进一步增强其强度。大多数HEA是由四种元素以上组成，具有fcc结构，由于局部区域的变化，具有不同能量的位置对氢扩散具有较大阻力。金属和合金对氢脆的敏感性与微观结构以及原子进入和迁移到其晶格密切相关。奥氏体不锈钢因其低的氢扩散率而被称为最抗氢脆钢材。因此，富含Fe、Mn和Ni(具有fcc结构)的HEAs是极有前途的抗脆性金属合金。

巴西里约热内卢联邦大学的研究人员制备了Fe20 Mn20 Ni20 Co20 Cr20和Fe22 Mn40 Ni30 Co6 Cr2两种HEAs，探讨了氢扩散率与微观组织之间的相互作用。相关论文以题为“Effect of alloying elements on the hydrogen diffusion and trapping in high entropy alloys”发表在Scripta Materialia。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113957

本文中Fe20 Mn20 Ni20 Co20 Cr20和Fe22 Mn40 Ni30 Co6 Cr2两种HEAs均通过氩气环境下电弧熔炼制备，通过Thermo-Calc软件计算凝固过程中存在的析出相，合金凝固后进行900℃×1h均质处理，再进行轧制，厚度减少90%。

通过相图可以看出两种HEA凝固后具有fcc结构，随着温度降低，两种合金都可能会形成σ相，在非等摩尔合金中，该第二相的形成温度与等摩尔合金相比更低。熔炼时由于水冷铜坩埚冷却较快，所以抑制了低温相的形成。两种合金微观组织均呈现出大量退火孪晶的完全再结晶等轴晶粒。等摩尔合金的平均晶粒尺寸约10μm，非等摩尔合金的平均晶粒尺寸约50μm。

图1 两种高熵合金的相图、微观结构和XRD结果比较

图2 不同温度对高熵合金氢扩散率的影响

图3 高熵合金的热解吸光谱结果

研究发现非等摩尔合金的氢扩散率比等摩尔合金大3个数量级，等摩尔合金的氢扩散率与奥氏体不锈钢相当。发现H的扩散取决于Cr的浓度，Ni在保证fcc结构中起重要作用，对H扩散的影响较低，尽管两种合金的晶格参数非常接近，但是H扩散率随Cr浓度的增加而大大降低。

图4 所研究的六个系统的氢原子领域

图5 某些钢的Cr/Ni比值与氢扩散率的关系示意图

本文研究了Fe20 Mn20 Ni20 Co20 Cr20和Fe22 Mn40 Ni30 Co6 Cr2两种HEAs中元素含量对氢扩散和捕获的影响，氢扩散率随温度（300-550℃）而变化，遵循菲克第二定律。本文为高熵合金的设计提供了理论基础。