高熵合金及其他高熵材料研究新进展

高熵材料是一类由多种元素以等摩尔比或近等摩尔比组成的新型多主元材料,打破了传统的材料设计理念。高熵材料以其独特的晶体结构特征,表现出许多不同于传统材料的组织和性能特点。目前国内外已经研发出多种高熵材料,在力学、物理和化学性能等方面具有独特的优势,在很多领域具有巨大的应用潜力,已经成为国际材料学术界的重要研究热点之一。本文从高熵材料的设计理念出发,主要综述了高熵合金、高熵陶瓷、高熵金属间化合物等高熵材料的最新研究进展,总结了不同高熵材料的结构特征、组织性能及强化机制,并对高熵材料的发展趋势进行了展望。高通量计算与制备将成为设计这类多主元材料的重要快捷手段,随着材料的进步,高熵材料成形加工技术必将快速发展以满足其多元化应用需求。

现代材料科学面临的重大挑战是研制出满足科技快速发展需求的高性能材料。以一种或两种元素为主、其他特定添加元素改善性能的传统设计理念已经研发出大量的工程化应用材料,但材料成分和组织优化能力有限,性能改善已经趋于瓶颈,无法满足各领域对更高性能材料的迫切需求。近年来,由Cantor和Yeh等提出的(近)等摩尔比多主元高熵合金设计理念打破了传统的单主元成分设计理念,高熵合金在力学、物理或化学方面表现出优异的性能,成为一种具有巨大应用潜力的新型材料。

高熵合金又称为多主元合金(multi-principal element alloy)、成分复杂合金(compositionally complex alloy)、等原子比多组元合金(equiatomic multicomponent alloy)等。高熵合金最初定义为由五种或五种以上元素以等摩尔比或近等摩尔比方式组成,其中各元素的原子百分比在5%~35%之间。随着对高熵合金的深入研究,目前三元和四元的近等摩尔比材料也被定义为高熵合金。传统合金设计认为,添加多种元素会生成金属间化合物(IMCs)相,IMCs虽然可以提高材料强度,但必然导致塑性的降低,无法获得综合力学性能优异的材料。与传统材料不同,多主元高熵合金成分复杂,组成元素原子随机无序的分布在晶格位置上,因此高熵合金在热力学上具有高熵效应,在动力学上具有缓慢扩散效应,在结构上具有晶格畸变效应,在性能上具有鸡尾酒效应。高熵合金的多种主要元素混合方式,导致了材料的混合熵达到最大,高混合熵抑制了金属间化合物的形成,促进了晶体结构简单的饱和固溶体形成。最新研究发现高熵合金的固溶体结构中存在明显的元素波动,通过控制高熵合金中的元素浓度波动,可以有效改善高熵合金的综合力学性能。高熵合金中还可能析出弥散分布的纳米晶甚至非晶结构,在固溶强化、析出强化、纳米/非晶复合强化等方面能够显著提高高熵合金的力学性能。在多种机制的耦合作用下,高熵合金具有很多传统材料无法比拟的优异性能,如在力学、电磁学、耐高温、抗腐蚀等方面表现突出,因此高熵合金被视为有望解决目前工程领域材料性能瓶颈问题的关键材料之一。

高熵材料早期研究主要集中在多组元成分设计制备方面,通过改变添加元素种类和含量,获得具有单一面心立方(FCC)或体心立方(BCC)的相结构,从而实现合金组织和性能的优化。随着高熵材料研究的深入,高熵材料家族成员也越来越多,根据高熵材料的组成元素种类和晶体结构,可以将高熵材料分为过渡元素高熵合金、难熔高熵合金、共晶高熵合金、高熵非晶合金、高熵高温合金、高熵陶瓷以及本文作者提出的高熵金属间化合物等,大幅度拓展了高熵材料的应用领域。本文结合近年来高熵材料的最新研究进展,概述了各类高熵材料的显微组织和性能特征。

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