趙 丹

(蘭州工業(yè)學(xué)院 材料工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050 )

0 引 言

葉均蔚等[1]打破了傳統(tǒng)合金的設(shè)計(jì)理念，創(chuàng)新了合金的設(shè)計(jì)方法，提出了高熵合金的概念,目前對高熵合金研究處于基礎(chǔ)研究階段。高熵合金是由5種或者是5種以上的組元按照一定的比例配置，然后通過熔煉等方法得到的新型合金材料，每種組元的原子比在5～35%之間。高熵合金具有四大效應(yīng)[2]：熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散、晶格畸變效應(yīng)以及性能上的雞尾酒效應(yīng)。正因這些效應(yīng)，高熵合金具有其自身的特征，這些特征是有別于傳統(tǒng)合金，比如，通過調(diào)配組元配比可促使高熵合金形成簡單晶體結(jié)構(gòu)[3]，高熵合金還具有高硬度、高強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)良性能[4-5]，因此在材料需求不斷增加的新時(shí)代，高熵合金備受研究者們的關(guān)注。筆者綜述了高熵合金的有關(guān)研究文獻(xiàn)，總結(jié)了不同主元、熱處理對高熵合金組織及性能的影響，以及高熵合金作為焊接材料的研究現(xiàn)狀。

1 不同主元對高熵合金組織及性能的影響

對高熵合金的研究目前處于基礎(chǔ)研究階段，而研究者常用的用來制備高熵合金的元素有：Fe、Cr、Co、Ni、Al、Ti、Si等元素。通過改變某一組元的含量，通過不同的手段去分析某一含量的變化對合金體系組織和性能的影響。趙丹等[6]研究了CoCrFeMnNiCux高熵合金的微觀組織，測定了該體系合金的壓縮曲線和顯微硬度，研究發(fā)現(xiàn)隨著銅含量的增加，合金的組織為樹枝晶，晶體結(jié)構(gòu)均為FCC結(jié)構(gòu)，合金的抗壓強(qiáng)度及顯微硬度先增大后減小大的趨勢。熊梅等[7]研究了Cr含量對FeNiMnCuCrx高熵合金微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響，該研究表明Cr含量增加對合金的組織結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生影響，該體系高熵合金組織均是簡單的FCC固溶體結(jié)構(gòu)，但合金的組織形態(tài)發(fā)生了變化，由最初的柱狀樹枝晶向等軸樹枝晶轉(zhuǎn)變。同時(shí)，Cr的增加引起該合金體系自腐蝕電流密度出現(xiàn)了先增后減的變化趨勢。李安敏等[8]研究了AlxCrCuFeNi高熵合金組織與性能，該研究發(fā)現(xiàn)隨Al含量的增加，合金的晶體結(jié)構(gòu)由fcc+bcc逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閎cc，由于晶體結(jié)構(gòu)的變化使合金的硬度發(fā)生了變化。郝聰敏等[9]研究了AlFeCrCoTiCux高熵合金組織及力學(xué)性能，通過分析發(fā)現(xiàn)該體系高熵合金組織形態(tài)是樹枝晶，枝晶間由富Cu的FCC相和ω相組成。隨著Cu的增加，富Cu的FCC相和ω相增多，使得高熵合金的硬度和抗壓強(qiáng)度隨著Cu含量的增加而整體下降，這是因?yàn)橛捎贑u與其他金屬元素的固溶性差，Cu的增加使更多Cu偏析于晶間，產(chǎn)生相分離，導(dǎo)致合金的整體硬度下降。

綜上，高熵合金體系元素種類及含量不同，會(huì)對合金的組織及性能產(chǎn)生很大影響。基于此，可通過優(yōu)化合金體系及含量制備出性能優(yōu)異的材料，以滿足不同服役環(huán)境及條件。

2 熱處理對高熵合金組織和性能的影響

最初研究者致力于研究不同主元對高熵合金顯微組織及性能的影響，但制備高熵合金的方法大多數(shù)是通過電弧爐熔煉而成，得到的合金是鑄態(tài)合金。在高熵合金熔鑄過程中易出現(xiàn)鑄造缺陷，進(jìn)而降低材料的性能及應(yīng)用。因而研究者通過對鑄態(tài)高熵合金的熱處理，分析熱處理對高熵合金組織及性能的影響。班煜峰等[10]研究了退火態(tài)AlFeCrCoNiMo高熵合金微觀組織與硬度，該研究發(fā)現(xiàn)AlFeCrCoNiMo高熵合金在鑄態(tài)和退火態(tài)時(shí)組織均為樹枝晶，并且隨著退火溫度的升高，合金中FCC相減少，在枝晶間析出金屬間化合物，導(dǎo)致高熵合金的硬度隨退火溫度的增大出現(xiàn)先增大后減小變化規(guī)律。吳興財(cái)?shù)萚11]研究了不同退火溫度對AlCoCrFeNi高熵合金組織結(jié)構(gòu)及性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)AlCoCrFeNi高熵合金鑄態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)為BCC，隨著退火溫度升高，在枝晶間析出了金屬間化合物，而退火溫度越高析出的化合物量越多。當(dāng)溫度升高到900 ℃時(shí)，合金除了含有BCC相以及金屬間化合物相之外，還出現(xiàn)了FCC相。馬國峰等[12]研究了在575 ℃、685 ℃、875 ℃、1000 ℃溫度下，對FeCoNiAlCrCu0.5高熵合金進(jìn)行熱處理，分析了不同溫度下合金的組織及摩擦磨損性能。研究表明：該合金在鑄態(tài)為BCC結(jié)構(gòu)，熱處理促進(jìn)了擴(kuò)散使得合金中出現(xiàn)了新相。由于各相的分布不均勻?qū)е潞辖鹩捕确植疾痪鶆颍M(jìn)而降低了合金的摩擦磨損性能。劉貴仲等[13]研究了不同退火溫度對AlFeCuCoNiCrTi0、AlFeCuCoNiCrTi0.5、AlFeCuCoNiCrTi1高熵合金的退火組織及硬度的影響，退火溫度不同合金中的相不同，進(jìn)而對合金硬度產(chǎn)生影響。Niu等[14]研究了退火時(shí)Al0. 5CoCrFeNi高熵合金的拉伸性能。研究表明：在退火溫度為650 ℃時(shí)，合金的強(qiáng)度隨著退火時(shí)間的延長而增強(qiáng)，這是由于退火時(shí)在合金枝晶間產(chǎn)生了納米級(jí)B2相，進(jìn)而產(chǎn)生了納米沉淀強(qiáng)化作用。農(nóng)智升等[15]研究了不同退火溫度對CrCuFeMnTi高熵合金組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，研究表明，隨著退火溫度的升高，合金硬度先增加后減小，斷裂強(qiáng)度相比鑄態(tài)下有所提高，但其斷裂特征為脆性斷裂。

綜上，熱處理工藝可對高熵合金的性能進(jìn)行調(diào)整，以提高高熵合金的綜合性能，進(jìn)而擴(kuò)寬高熵合金的應(yīng)用范圍。

3 高熵合金作為焊接材料的研究

徐錦峰等[16]為了抑制鋼與鈦焊接后形成脆性金屬間化合物，依據(jù)焊縫金屬高熵化設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了Ti10Fe20Al20Ni25Cu25高熵合金，通過電阻點(diǎn)焊實(shí)現(xiàn)了TA2/Ti10Fe20Al20Ni25Cu25/Q235的連接，焊縫組織為bcc和fcc固溶體，而接頭剪切強(qiáng)度最高到達(dá)144 MPa。劉玉林等[17]研究了高熵合金CoCrFeMnNi與銅擴(kuò)散連接的界面組織及接頭性能，通過該研究發(fā)現(xiàn)：Cu與CoCrFeMnNi高熵合金擴(kuò)散焊接頭連接良好，對形成的反應(yīng)層分析發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)為FCC結(jié)構(gòu)，并且拉伸斷裂均發(fā)生在遠(yuǎn)離接頭的銅側(cè)。趙丹[18]研究了銅與CoCrFeMnNi高熵合金電子束焊接接頭微觀組織與接頭性能，該研究表明，不同偏束距離下得到的Cu/CoCrFeMnNi高熵合金電子束焊接接頭的焊縫組織均是FCC結(jié)構(gòu)。所有焊接接頭拉伸斷裂均發(fā)生在較軟的Cu側(cè)，當(dāng)偏束距離為0.3 mm時(shí)，Cu側(cè)并沒有出現(xiàn)銅的滲透裂紋。

綜上，高熵合金作為焊接材料具有很大的發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用前景。一方面，根據(jù)焊縫金屬高熵化思路可以設(shè)計(jì)不同體系的高熵合金，以其解決異種材料焊接時(shí)物理化學(xué)成分的差異引起的焊縫缺陷。另一方面，為了更好滿足科技發(fā)展對材料的需求，可以用開發(fā)性能優(yōu)良的高熵合金，替代傳統(tǒng)合金滿足不了的場合。

4 結(jié) 語

高熵合金是一種具有諸多優(yōu)良性能，并具有很大的應(yīng)用價(jià)值的新型材料。其發(fā)展?jié)摿Υ?，有望成為新一代結(jié)構(gòu)材料。但就目前的研究來說，對高熵合金研究還缺乏系統(tǒng)性及理論指導(dǎo)性。比如主元的含量對高熵合金的組織和性能將產(chǎn)生影響，但如何確定最優(yōu)組合，目前只能通過實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證、研究，而高熵合金涉及面廣，體系龐大，因此探索最優(yōu)體系的工作量大，缺乏理論指導(dǎo)，還需廣大研究者進(jìn)一步研究與探索。