近期，beat365手机官方网站材料科学与工程学院材料研究所无序合金团队在高性能高熵合金研究领域取得了一系列进展，在Corrosion Science、Composites Part B: Engineering、Virtual and Physical Prototyping、Journal of Materials Science & Technology、Materials Science and Engineering: A、Surface and Coatings Technology等期刊发表了相关成果。这些成果在新型高熵合金的成分设计、微观组织调控、工艺优化、性能提升和构件成型等方面提出了新的见解，为高性能金属合金的研发提供了理论支持和技术方案。
进展一：为寻求材料更卓越的性能，研究人员将高熵合金(HEAs)的概念扩展到了金属间化合物系统，形成了高熵金属间化合物(HEIMs)和高熵金属间化合物基复合材料(HEIMCs)。团队通过火花等离子烧结(SPS)技术成功制备了一种新型并含有原位合成TiB2纳米颗粒的Ni-43.9Co-22.4Fe-8.8Al-10.7Ti-11.7B-2.5 HEIMCs。所得到的HEIMCs块材具有有序的L12结构的金属间化合物基体(Ni, Co, Fe)3(Al, Ti, Fe)和六方密堆结构(HCP)的TiB2纳米结构增强相，增强相的平均尺寸为28.05 ± 0.13 nm。由于L12金属间化合物基体的固有高强度和TiB2增强的异质分布，HEIMCs表现出了约1.4 GPa的优异抗拉强度。同时，团队研究发现TiB2纳米颗粒在阻碍裂纹传播和与颗粒界面上的独特无序界面协同作用方面起到了关键作用。团队还在HEIMCs中发现了独特的无序界面，其平均宽度在5-10nm范围内，可延缓断裂和提高塑性变形时的应变硬化速率。团队制备的HEIMCs克服了传统金属间化合物通常存在的局限性，并提供出色的强度和延展性平衡。这项研究结果有望为设计具有优异力学性能的原位增强HEIMCs提供清晰的思路。[该成果由穆永坤博后和贾延东研究员共同指导，硕士生胡珍完成，发表于Composites Part B: Engineering (2024)，https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111556]
图1. (a)HEIMC-4样品的HAADF STEM图像，(b)HEIMC-1、-2、-3和-4样品的拉伸工程应力-应变曲线，(c)对应的应变硬化曲线，(d-g)晶界处的TEM图像，(h-k)电子通道衬度图像。
进展二：团队采用直接能量沉积(DED)技术，通过调控工艺参数制备出了高度致密且力学性能优异的(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金，研究发现打印态合金具有亚稳态核壳沉淀强化效应，同时在塑性变形过程中表现出独特的多级“台阶状”滑移波特征，而这种“台阶状”的滑移波增强了合金的塑性变形能力，起到显著的增韧效果，使其在保持25.5%断裂延伸率的同时，极限抗拉强度达到~1070MPa，这是一种同时提高合金强度和塑性的新方法。此外，本研究深入探讨了微观结构与变形机制之间的相互作用关系，阐明了核壳沉淀结构与基体的协同作用关系以及滑移带在调控材料内部应力状态、促进应力均匀化和防止局部应力过度集中方面的作用。这种亚稳态核壳沉淀和多级“台阶状”滑移波的引入为设计出具有优异的拉伸强度和塑性的高熵合金提供了新途径。[该成果由穆永坤博后、贾延东研究员和王刚教授共同指导，硕士生梁建完成，发表于Journal of Materials Science & Technology (2024)]
图2. (a) 直接能量沉积示意图，(b) (FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金拉伸试样在不同拉伸应变下的表面形态变化，(c) 亚稳态核壳沉淀析出相的面扫和线扫能谱图像。
进展三：为了提升高熵合金的力学性能，对其进行时效处理引入纳米级沉淀相是常见的后处理措施。然而，由于腐蚀现象在相界面和位错等缺陷处优先产生，大量第二相的析出往往不利于高熵合金的耐蚀性，这对于实现材料优异的综合性能构成挑战。团队对选区激光熔化(SLM)技术制备的(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金在780 ℃时效处理前后微观组织和耐蚀性能进行测试表征。电化学测试的结果表明，经时效处理的合金具有更正的腐蚀电位、更低的腐蚀电流密度、更强阻碍电荷转移能力及更平整的腐蚀表面形貌，这些现象表明时效处理提升了(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金的耐蚀能力。一方面，时效处理后高熵合金钝化膜中耐蚀性增益元素占比增加，致密程度和稳定性更高的钝化膜对合金基体的保护作用增强。另一方面，时效过程中高熵合金产生大量纳米尺寸L12型析出相，该析出相与FCC基体之间具有共格关系，二者之间的界面为不存在位错的连续界面。因此时效处理未引入可能优先腐蚀的位点，材料的耐蚀能力得到增强。当前研究表明，时效处理的(FeCoNi)86Al7Ti7高熵合金体系实现了力学性能和耐蚀性能的平衡，从而展现出巨大的应用潜力。[该成果由孙康副研究员和穆永坤博后共同指导，硕士生王育博完成，发表于Corrosion Science (2024)，https://doi.org/10.1016/j.corsci.2023.111717]
图3. 时效处理前后高熵合金样品的电化学腐蚀性能与透射电镜图像。
进展四：设计特殊的非均匀结构已被证明是突破强度和塑性矛盾的有效策略。在这项工作中，我们从榫卯接头的建筑完整性和机械独创性（传统工艺的标志）中汲取灵感，在3D打印的高熵合金(HEA)中设计了一种新颖的机械互锁网络(MIN)。亚晶交联不仅在结构上模仿了接头，而且再现了其改变MIN力学性能的功能。MIN结构提供了优异的结构稳定性，并在变形过程中分散了晶界处的应力，从而避免了应力集中及其导致的裂纹扩展引起的灾难性断裂。该合金的抗拉强度近1200 MPa，延伸率约为28%，其卓越性能归因于一系列潜在机制，包括异质变形诱导的强化和硬化效应、位错缠结、高密度堆垛层错以及 Lomer-Cottrell 锁的形成。这些现象证明了引入MIN异质结构增强HEA的力学性能的可行性，该研究促进了具有制造灵活性的高性能材料的开发。[该成果由穆永坤博后和贾延东研究员共同指导，硕士生吴智滨完成，发表于Materials Science and Engineering: A (2024)，https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.146422]
图 4. AM-FCNAT微结构示意图。(a)AM-FCNAT的XY平面的电子通道衬度图像显示了多重机械互锁结构，(b)AM-FCNAT的亚晶和多亚晶结构示意图，(c)受榫卯结构启发的机械互锁结构示意图。
进展五：传统的金属间化合物缺乏可加工性，在增材制造过程中容易产生裂纹，而本项工作证明了通过电子束粉末床融化(EBPBF)可成功制造出无裂纹且高性能的化学复杂型金属间合金(CCIMAs)。由EBPBF制造的CCIMAs (NiCoFeAlTiB)微观结构非常复杂，呈现出多相组成，其中无序的FCC相构成基体，与L12有序的金属间相交错。有序晶格和高熵无序相的独特组合通过优化的EBPBF工艺进行了调整，赋予了该材料优异的机械性能，包括较高的拉伸强度（约1 GPa）和足够的延展性（约11%）。研究发现，HCP和L21析出相也能有效减缓和阻止裂纹扩展。这项工作展示了利用 EBPBF制造具有定制微结构的 CCIMAs，这将为挖掘先进金属间合金的潜力提供新的见解和制造策略。[该成果由贾岳飞博后、卞西磊副研究员和西北工业大学屈瑞涛教授共同指导，博士生范才涛完成，发表于Virtual and Physical Prototyping (2024)，https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2356733.]
图5. (a)电子束粉末床融化设备示意图，(b)垂直和平行打印方向的拉伸件力学性能，(c)打印样品尺寸的示意图，(d)打印样品的SEM图和TEM图片，微观结构展示了各种析出相。
进展六：为解决公斤级难熔高熵合金熔炼造成的化学成分不均，组织粗大、熔炼缺陷及合金在高温拉伸变形中的应变软化等问题，本研究通过悬浮熔炼公斤级HfNbTaTiZr难熔高熵合金，并结合高温多向锻造工艺，成功消除熔炼合金中化学成分不均匀和宏观缺陷等问题，并显著提升难熔高熵合金高温拉伸强度和应变硬化率。团队通过水冷铜坩埚成功熔炼1公斤HfNbTaTiZr难熔高熵合金铸锭，并通过随后的高温多向锻造成功消除缩松缩孔和宏观成分偏析。高温多向锻造在高熵合金晶体内部引入大量晶格缺陷，这些缺陷在高温变形过程中易促进晶内滑移带开动，因此可避免沿晶断裂。在高温变形过程中，滑移带附近的应变集中促进动态再结晶的产生。因此，晶内分布细小的动态再结晶和原始粗晶构成的双峰晶粒，异质晶粒产生的背应力强化为高温下高应变硬化提供动力。此外，通过TEM分析发现，高温变形组织中微带的出现缓解应力集中，避免了合金的早期断裂。研究结果表明，悬浮熔炼和高温多向锻造有望规模化制造公斤级HfNbTaTiZr难熔高熵合金，其在高温下优异的力学表现归功于高温锻造在合金晶内引入的晶格缺陷。本研究为制造和加工公斤级HfNbTaTiZr难熔高熵合金及其在高温下应用奠定基础。[该工作由贾岳飞博后指导，徐龙博士（现为江苏科技大学讲师）完成，发表于 Journal of Materials Science & Technology(2024)，https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.04.078]
图6. (a)和(b) 公斤级HfNbTaTiZr熔炼和高温多向锻造示意图，(c)和(d) 高温拉伸应力应变曲线和应变硬化率曲线，(e) F400试样变形组织，(f) 动态再结晶和原始粗晶晶粒统计分布图。
进展七：轻质高/中熵合金具有高强度与轻量化的双重优势。然而，这类合金室温下的拉伸延展性有限，这限制了它们在工程领域的广泛应用，特别是对于航空航天结构部件。近期的研究发现，调控TiVZrNb中熵合金中的钛(Ti)和钒(V)含量，可以显著提高它们在室温下的拉伸延展性，甚至达到了三到四倍的提升。这项研究不仅解决了科学家们长期以来的困扰，还为工程应用开辟了新的可能性。具体来说，通过系统调节Ti和V的含量，研究人员揭示了一种内在的延展性机制。这种机制使得断裂形式从晶间脆性断裂向韧性断裂转变。此外，调控后的变形机制也从单一滑移模式演变为多重协同滑移模式，而合金的强度并未明显降低。以(Ti1.5V)3ZrNb为例，相比等摩尔比的TiVZrNb中熵合金，其延伸率提高了360%，同时保持了约800 MPa的高屈服强度。这一成果显示，合金构成元素的调控不仅通过减少有害相而净化晶界，还调控了变形位错构型。这些见解为轻质难熔中熵合金的应用提供了新的思路和方向。[该成果由贾岳飞博后完成，卞西磊副研究员和王刚教授指导，发表于Journal of Materials Science & Technology(2024)，https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.04.020]
图7. 合金成分调控驱动的力学性能和微观机理演变。
进展八：在探索第四代核能系统的关键材料中，AlCrFeMoTi高熵非晶薄膜展现出卓越的辐射抗性，为核工业应用提供了新的可能性。本研究通过磁控溅射技术成功合成了等原子比的AlCrFeMoTi高熵非晶薄膜，并对其进行了低剂量氦离子辐照实验。实验结果表明，随着辐照剂量的增加，薄膜内部结构发生了有序化转变，硬度显著提升，而表面却变得更加平滑。这一发现不仅揭示了高熵非晶材料在辐射环境下的稳定性和机械性能的优化潜力，也为未来核反应堆结构材料的选择提供了重要的科学依据。[该成果由贾岳飞博后指导，国际留学生Shahid Ali完成，发表于Surface and Coatings Technology (2024) https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.130952]
图8. AlCrFeMoTi高熵非晶薄膜随辐照剂量的微观结构演化。
以上研究得到了国家自然科学基金、上海市教育委员会创新计划基金、航空基金和上海市超级博士后项目的资助。
