摘要 多組元高熵合金是一種新型合金材料，對其通過成分設(shè)計，并采用合理的制備方法即可獲得優(yōu)異的性能，已越來越廣泛地應用于交通工程（如橋梁、軌道等）、裝備制造業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。多組元高熵合金的強化及性能調(diào)控對合金的使用起到舉足輕重的地位。文章針對目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對其強化及性能調(diào)控進行了論述。

關(guān)鍵詞 高熵合金；強化；性能調(diào)控；研究進展

中圖分類號 TG136.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）15-0183-03

0 引言

近年來，高熵合金因其在硬度、抗壓強度、耐腐蝕性能、韌性和熱穩(wěn)定等方面性能顯著優(yōu)于常規(guī)金屬材料而備受工業(yè)界關(guān)注[1-4]。在交通工程、航空航天、能源開發(fā)、化工、電子信息等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。在交通橋梁領(lǐng)域，可利用高熵合金制造高強螺栓、金屬表面強化涂層；在軌道交通領(lǐng)域，高熵合金不僅能夠制備出機械性能優(yōu)異的軌道交通用鋼材，還可開發(fā)高性能的輕質(zhì)高熵合金，對實現(xiàn)軌道交通輕量化具有十分重要的意義。在航空航天領(lǐng)域，高熵合金可用于制造高溫結(jié)構(gòu)件和氧化膜穩(wěn)定高溫防腐涂層。高熵合金還可以應用于航空航天中的航空制動器、重型飛機和宇宙飛船發(fā)動機、燃燒室、導彈動力系統(tǒng)等部件的制造。在能源開發(fā)領(lǐng)域，高熵合金具有良好的耐熱性、抗氧化性和耐腐蝕性等優(yōu)點，在煉油、化工、煤化工、冶金等領(lǐng)域有著廣泛應用。研究高熵合金的強化及性能調(diào)控，對高熵合金的使用起到至關(guān)重要的作用。

1 石墨烯強化及性能調(diào)控

石墨烯是已知強度最高的材料之一，同時還具有很好的韌性，且可以彎曲。石墨烯的理論楊氏模量達1.0 TPa，固有的拉伸強度為130 GPa。而利用氫等離子改性的還原石墨烯也具有非常好的強度。石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)秀的導熱性。

基于石墨烯的復合材料是石墨烯應用領(lǐng)域中的重要研究方向。隨著對石墨烯研究的深入，石墨烯增強體在金屬基復合材料中的應用也越來越受到人們的重視。向高熵合金中加入石墨烯強化相，可起到強化和性能調(diào)控的作用。石墨烯是具有優(yōu)異力學、熱和電性能的二維碳材料，被認為是金屬復合材料的理想強化相。石墨烯在高復合材料中的作用，不僅能體現(xiàn)在細化基體晶粒尺寸、提升強度及硬度方面，還可以有效地提升復合材料的耐蝕性能。

2 多相強化及性能調(diào)控

王奪[5] 研究了Cu 元素含量對CoCrFeNiCux 合金組織結(jié)構(gòu)和力學性能的影響。隨著Cu 元素的引入，合金由單一的FCC 結(jié)構(gòu)固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞NFCC 結(jié)構(gòu)（FCC1+FCC2）組成；當x≤1 時，Cu 元素在合金的晶界處富集偏聚，形成富Cu 相；當xgt;1 時，合金表現(xiàn)為典型的枝晶狀組織形貌，富Cu 相在枝晶間析出。當x=0.5 時，合金的屈服強度和顯微硬度分別達到最高值328 MPa 和162 HV；隨著Cu 元素含量的繼續(xù)增加，合金的屈服強度和顯微硬度呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，合金系具有良好的壓縮變形能力，在1×10?4 m/s 的壓縮速率下經(jīng)過25% 的壓縮變形后均沒有發(fā)生斷裂。

黃標[6] 等研究了Cr 元素對高熵合金涂層組織結(jié)構(gòu)和性能的影響，在45 鋼基體上用激光熔覆方法制備了FeCoCrxNiB 高熵合金涂層，并采用X 射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、顯微硬度和耐磨測試等方法研究了Cr 含量對FeCoCrxNiB 激光熔覆高熵合金涂層組織結(jié)構(gòu)、硬度和耐磨性能的影響。結(jié)果表明：熔覆態(tài)高熵合金的組織均由先共晶M2B 相和共晶組織（FCC+M2B 相）組成。隨著Cr 含量的增加，共晶組織含量增多，M2B 相減少，先共晶硼化物形態(tài)呈現(xiàn)不規(guī)則顆粒狀到樹枝狀再到條塊狀的變化，共晶組織形貌由蜂窩狀向片層狀轉(zhuǎn)變。涂層平均硬度隨著Cr 含量增加逐漸降低，F(xiàn)eCoCr0.5NiB 涂層平均硬度最高為860 HV0.2。涂層的耐磨性能與硬度呈正相關(guān)關(guān)系，即FeCoCr0.5NiB 涂層耐磨性最高，F(xiàn)eCoCr3NiB涂層耐磨性最低。

賈強[7] 通過感應熔煉制備了CrFeCoNiTix 合金，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著Ti 含量的增加CrFeCoNiTix 合金各向異性先增大后減小；CrFeCoNiTix 合金結(jié)構(gòu)由FCC 向BCC 轉(zhuǎn)變，同時伴隨著HCP 結(jié)構(gòu)，隨著Ti 含量的增加HCP 也轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC；中低溫熱處理時，熱處理溫度的提高有利于CrFeCoNiTi1.5 中HCP 結(jié)構(gòu)相的析出；隨著Ti 含量的增加，Ni 逐漸往晶間聚集，Cr 和Fe 逐漸由晶間向晶體中均勻分布，Co 和Ti 在晶間和晶體中分布都比較均勻；CrFeCoNiTi1.5 在中低溫退火處理過程中，隨著溫度的升高，Cr、Fe、Co 和Ni 向晶體中聚集分布，Ti 逐漸向晶間聚集。QIU X W[8] 等采用激光熔覆法制備了AlCrFeCuCo 高熵合金。研究了合金的微觀組成和耐蝕性能，結(jié)果表明，AlCrFeCuCo 高熵合金主要由FCC 和BCC 組成（如圖1所示）；合金在0.5 mol/L H2SO4 溶液中顯示出優(yōu)異的性能耐腐蝕性（如圖2 所示），隨著掃描速度的提高，合金的耐腐蝕性能先增強后減弱。

3 析出強化及性能調(diào)控

QIU X W[9] 等制備了Al2CrFeCoCuTiNix 高熵合金。發(fā)現(xiàn)合金樣品由熔覆區(qū)（圖3）、結(jié)合區(qū)和熱影響區(qū)組成。涂層與基底之間結(jié)合良好；熔覆區(qū)主要由等軸晶、納米晶和析出的細小的白色晶體組成。由于析出強化作用，高熵合金樣品的表面顯微硬度達1 102 HV，約為基體的4 倍，并且硬度隨著Ni 含量的增加而增加（圖4）。Al2CrFeCoCuTiNix 高熵合金涂層的相對耐磨性隨Ni 含量的增加呈先增大后減小的趨勢，硬度和延展性受均影響耐磨性。

4 細晶強化及性能調(diào)控

黃祖鳳[10] 等采用激光器制備添加WC 顆粒的FeCoCrNiCu 高熵合金涂層，研究了WC 含量對涂層的組織結(jié)構(gòu)及硬度的影響。結(jié)果表明：不同WC 含量的高熵合金涂層均由簡單的面心立方結(jié)構(gòu)和體心立方結(jié)構(gòu)兩相組成。隨著WC 的含量的提高，枝晶不斷細化，涂層的稀釋率逐漸增大。相比電弧熔煉的塊體合金，激光熔覆FeCoCrNiCu 高熵合金涂層具有較小成分的偏聚。

張沖[11] 等采用激光熔覆方法在45 鋼表面制備了FeCoCrxNiB 涂層。結(jié)果表明， 不同Cr 含量的FeCoCrxNiB 涂層氧化動力學曲線基本符合拋物線規(guī)律。隨著Cr 含量的增加，F(xiàn)eCoCrxNiB 涂層的氧化膜由富Fe的氧化物逐漸向富Cr 氧化物轉(zhuǎn)變，并最終生成穩(wěn)定、連續(xù)的Cr2O3 氧化膜。富Fe 的氧化物表面形貌為針狀且較為疏松，而富Cr 的氧化物則為較為致密顆粒狀。涂層的抗氧化性能隨著Cr 含量的增加而增強。

李亞峰[12] 等人制備了FeNiMnCuC0.2Alx 高熵合金， 對固溶處理后的試樣進行結(jié)構(gòu)及性能研究。結(jié)果表明： 添加少量Al（x=0.1 mol、0.2 mol） 能細化FeNiMnCuC0.2Alx 晶粒；初生樹枝狀晶富含F(xiàn)e、Ni 元素，Mn、Cu 在枝晶間相內(nèi)有所聚集，C、Al 大體上均勻分布于兩相中；x=0 時，F(xiàn)eNiMnCuC0.2Alx 高熵合金具有高的抗壓強度（5 218 MPa），x=0.1 mol 時，合金抗壓強度（4 037 MPa）和壓縮率（gt;75%）均較佳。

QIU X.W[13] 采用激光熔覆技術(shù)在45 鋼表面制備了CoCrFeNiMo 涂層，并采用掃描電子顯微鏡、硬度計和磨損試驗機對CoCrFeNiMo 高熵合金的顯微組織、硬度和耐磨性進行研究；用激光掃描速度對涂層組織和力學性能的影響進行研究。實驗研究結(jié)果表明，涂層與基體結(jié)合良好，涂層的微觀結(jié)構(gòu)主要由等軸晶粒組成，激光快熱快冷作用下晶粒細?。▓D5）。CoCrFeNiMo 涂層具有較高的硬度，最高表面硬度為741 HV。細晶強化為涂層的優(yōu)異耐磨性提供了保證。隨著掃描速度的提高，結(jié)構(gòu)得到細化。

5 固溶強化及性能調(diào)控

KIM K.B[14] 等通過機械合金化的方法成功制備了AlFeTiCrZnCu 高熵合金。在合金的所有成分中都具有BCC 納米結(jié)構(gòu)固溶體的形成，微晶尺寸在10 nm 左右。這種納米晶高熵合金在800 ℃的高溫下燒結(jié)1 h 仍然穩(wěn)定，具有2 GPa 的高硬度。另外，通過機械合金化制備的CuNiCoZnAlTi 和NiFeCrCoMnW 高熵合金也具有類似的納米結(jié)構(gòu)固溶體。

劉貴仲[15] 等人利用XRD、SEM 和DSC 方法研究了AlFeCuCoNi CrTix 高熵合金退火時的微觀組織、相結(jié)構(gòu)以及相轉(zhuǎn)變，同時測量了各退火溫度下的硬度變化。結(jié)果表明：隨著退火溫度的逐漸升高，Ti0 合金的相組成大約在636 ℃以后會逐漸由原來的FCC+BCC 結(jié)構(gòu)變?yōu)镕CC1+FCC2+BCC 結(jié)構(gòu)，硬度在636 ℃會略微增加，在636～1 112 ℃之間下降明顯，在1 112 ℃以后基本維持不變；對于Ti0.5 合金，退火對其相組成基本沒有影響，一直保持FCC+BCC1+BCC2 的結(jié)構(gòu)，硬度在607 ℃會略微增加，在607～1 092 ℃之間下降明顯，在1 092 ℃以后基本維持不變；而對于Ti1 合金，當退火溫度達到800 ℃時，會有Fe2Ti 型的Laves 相析出，這有助于提高材料的硬度，當退火溫度達到1 200 ℃時，其硬度可以提高到51.3 HRC。

參考文獻

[1] 李安敏， 張喜燕. AlCrCuFeNi 高熵合金的組織與硬度研究[J]. 廣西大學學報（ 自然科學版）， 2008（2）： 189-192.

[2] 姚陳忠， 張鵬， 李高仁， 等. 電化學制備Fel3. 8Co28. 7Ni4. 0Mn22. 1Bil4. 9Tml6. 5 高熵合金及其磁性研究[J]. 中國稀土學報， 2008（8）： 367-369.

[3] 高家誠， 李銳. AlZnSnSbPbMnMg 高熵合金顯微組織和耐熱性的研究[J]. 功能材料， 2009（4）： 602-603.

[4]QIU X. W， HUANG C. X， WU M. J， et al. Structureand Properties of AlCrFeNiCuTi Six Principal ElementsEquimolar alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds， 2016，658： 1-5.

[5] 王奪. CoCrFeNiCu 系高熵合金的組織和力學性能[D].沈陽：沈陽理工大學， 2014.

[6] 黃標， 張沖， 程虎， 等. 激光熔覆FeCoCrxNiB 高熵合金涂層的組織結(jié)構(gòu)與耐磨性[J]. 中國表面工程， 2010（4）：77.

[7] 賈強. CrFeCoNiTix 高熵合金力學性能及耐腐蝕性能研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學， 2015.

[8]QIU X. W， ZHANG Y. P， HE L， et al. Microstructure andcorrosion resistance of AlCrFeCuCo high-entropy alloy[J].Journal of Alloys and Compounds， 2013， 549： 195-199.

[9]QIU X. W， LIU C. G. Microstructure and Properties ofAl2CrFeCoCuTiNix High-Entropy Alloys Prepared by LaserCladding[J]. Journal of Alloys and Compounds， 2013， 553：216-220.

[10] 黃祖鳳， 張沖， 唐群華， 等. WC 顆粒對激光熔覆FeCoCrNiCu 高熵合金涂層組織與硬度的影響[J]. 中國表面工程， 2013（1）： 18.

[11] 張沖， 黃標， 戴品強. 鉻含量對FeCoCrxNiB 高熵合金涂層氧化行為的影響[J]. 中國表面工程， 2016（1）： 32.

[12] 李亞峰， 孔利軍， 甘章華. FeNiMnCuC0. 2Alx 高熵合金結(jié)構(gòu)及性能研究[J]. 武漢科技大學學報， 2009（1）： 60-63.

[13]QIU X. W. Microstructure and mechanical propertiesof CoCrFeNiMo high-entropy alloy coatings[J]. Journal ofMaterials Research and Technology， 2020（3）： 5127-5133.

[14]KIM K. B， WARREN P. J， CANTOR B， et al. Devitrificationof Nano-Scale Icosahedral Phase in MulticomponentAlloys[J]. Materials Science and Engineering： A， 2007， 449-451： 983-986.

[15] 劉貴仲， 李偉， 羅曉艷， 等. AlFeCuCoNiCrTix 高熵合金的退火組織及硬度變化[J]. 材料導報， 2009（6）： 51-54.