1、提升高熵合金耐磨性能以及熱穩(wěn)定性

東南大學(xué)孫文文教授團(tuán)隊(duì)在FeCoNiTi基高熵合金中提出了一種通過(guò)經(jīng)典共析轉(zhuǎn)變（A→B+C）而形成的珠光體結(jié)構(gòu)，用以提升珠光體組織在室溫以及一系列高溫環(huán)境下的耐磨性能以及熱穩(wěn)定性。與鋼鐵材料的相變相似，高熵合金中也可以發(fā)生共析反應(yīng)而產(chǎn)生珠光體結(jié)構(gòu)，共析轉(zhuǎn)變發(fā)生于500°C至650°C，共析反應(yīng)為FCC→BCC+Ni3Ti， 片層結(jié)構(gòu)由BCC相和Ni3Ti相片層交替排列而成。由于高熵合金中的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)導(dǎo)致高熵珠光體的片層狀結(jié)構(gòu)比鋼中珠光體更精細(xì)，因此珠光體高熵合金的硬度更高且在500°C和550°C時(shí)具備良好的熱穩(wěn)定性。同時(shí) ，與鋼中的珠光體結(jié)構(gòu)類似，多主元珠光體的片層間距也隨共析轉(zhuǎn)變溫度的升高而增大，同時(shí)硬度隨片層間距的增大而降低。該珠光體高熵合金不僅在室溫下具備優(yōu)異的耐磨性能（磨損率~2×10-5mm3/Nm），在550℃與600℃的環(huán)境下耐磨性能依然良好（磨損率<3×10-5mm3/Nm），多主元珠光體在室溫及高溫下磨損率低于相同溫度下一系列高速鋼或已開(kāi)發(fā)的耐磨多主元合金。磨料磨損是該高熵合金在室溫下的主要磨損機(jī)制，磨損速率與硬度呈典型的負(fù)相關(guān)關(guān)系，符合Archard定律。氧化和剝層磨損是該合金在高溫下的主要磨損機(jī)制，這是因?yàn)樵谀ズ郾砻嫘纬闪酥旅艿谋Ｗo(hù)性氧化層，以及具有足夠熱強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性的高加工硬化納米再結(jié)晶層。因此，高熵合金中的珠光體結(jié)構(gòu)是一種值得進(jìn)一步研究和優(yōu)化的具有極端環(huán)境應(yīng)用前景的高性能結(jié)構(gòu)，同時(shí)該研究為耐磨多主元合金的開(kāi)發(fā)提供了新的思路。研究成果以“A new strong pearlitic multi-principal element alloy to withstand wear at elevated temperatures”為題發(fā)表在Acta Materialia。

2、超彈抗極溫高熵艾林瓦合金

香港城市大學(xué)楊勇教授課題組與內(nèi)地，臺(tái)灣，法國(guó)以及美國(guó)的課題組合作，通過(guò)熔煉-銅模鑄造和定向凝固等方法設(shè)計(jì)并制備了成分為Co25Ni25(HfTiZr)50（原子比）的復(fù)雜成分合金。盡管這種合金的平均原子尺寸差達(dá)到了11%，應(yīng)當(dāng)形成多相或非晶結(jié)構(gòu)，然而結(jié)構(gòu)表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這種合金為單相B2結(jié)構(gòu)。根據(jù)DFT模擬結(jié)果與STEM結(jié)果，這是由于原子尺度的化學(xué)有序性吸收了原子尺寸差異的影響。由于晶格畸變阻礙了位錯(cuò)移動(dòng)，使得該合金在不發(fā)生相變的前提下表現(xiàn)出高強(qiáng)度，超高彈性極限（~2%），與超低能量耗散。相比于其他合金材料，該合金表現(xiàn)出獨(dú)特的艾林瓦效應(yīng)：隨著溫度升高，該合金的楊氏模量不但沒(méi)有下降，反而有微幅提高。根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，Co25Ni25(HfTiZr)50的艾林瓦效應(yīng)來(lái)自于一種新的非相變機(jī)制：即熱膨脹和結(jié)構(gòu)無(wú)序性下降效應(yīng)的相互抵消。該成果以題為“A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy”發(fā)表在Nature上。

3、具有優(yōu)異強(qiáng)度和延展性的梯度結(jié)構(gòu)高熵合金

高熵合金 (HEA) 或具有多種主要元素的合金具有近乎無(wú)限的多組分相空間，可導(dǎo)致不尋常的機(jī)械性能，如良好的強(qiáng)度和延展性，高的加工硬化，以及特殊的損傷容限。此外，工程的空間異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)由分級(jí)粒度，納米簇等等還可以允許HEA與實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能，類似于在傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)金屬材料中實(shí)現(xiàn)的那些。然而，對(duì)于大多數(shù)HEA而言，傳統(tǒng)金屬材料的持久強(qiáng)度-延展性悖論仍然存在。鑒于此，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所盧磊研究員在具有面心立方結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定單相HEA中可控地引入了梯度納米級(jí)位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)，從而在不明顯損失延展性的情況下提高了強(qiáng)度。在施加應(yīng)變后，樣品級(jí)結(jié)構(gòu)梯度會(huì)逐漸形成高密度的微小堆垛層錯(cuò) (SF) 和孿晶，從豐富的低角度位錯(cuò)單元中成核。此外，SF誘導(dǎo)的塑性和由此產(chǎn)生的精細(xì)結(jié)構(gòu)，加上密集積累的位錯(cuò)，有助于塑性、強(qiáng)度增加和加工硬化。這種合金是一種經(jīng)過(guò)充分研究的模型材料，具有6到21mJ/m2的局部變化SFE 。在初始施加拉伸應(yīng)變時(shí)，在GDS HEA 中發(fā)現(xiàn)了意外且極高密度的微小堆垛層錯(cuò)(SF)、孿晶形核和堆積主導(dǎo)的塑性變形。與其他 HEA相比，這一特征導(dǎo)致了具有吸引力的強(qiáng)度和延展性。相關(guān)研究成果以“Gradient cell-structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility”為題在線發(fā)表在Science。

4、高熵合金基高溫太陽(yáng)能光譜選擇性吸收涂層

中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所副研究員高祥虎、研究員劉剛帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)組分調(diào)控、構(gòu)型熵優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備出系列高熵合金基高溫太陽(yáng)能光譜選擇性吸收涂層。前期，研究人員設(shè)計(jì)出一種由紅外反射層鋁、高熵合金氮化物、高熵合金氮氧化物和二氧化硅組成的彩色太陽(yáng)能光譜選擇性吸收涂層，其吸收率可達(dá)93.5%，發(fā)射率低于10%。研究人員發(fā)現(xiàn)，單層高熵合金氮化物陶瓷具有良好的本征吸收特性，因此制備出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的涂層。以高熵合金氮化物作為吸收層，SiO2或Si3N4作為減反射層得到的涂層吸收率可達(dá)92.8%，發(fā)射率低于7%，并可在650°C的真空條件下穩(wěn)定300小時(shí)。近期，為進(jìn)一步提升涂層吸收能力，研究人員選用不銹鋼作為基底，低氮含量高熵合金薄膜作為主吸收層，高氮含量高熵合金薄膜作為消光干涉層，SiO2、Si3N4、Al2O3作為減反射層，形成了從基底到表面光學(xué)常數(shù)逐漸遞減的結(jié)構(gòu)。研究通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件（CODE）進(jìn)行優(yōu)化，利用反應(yīng)磁控濺射的方法制備，提高了制備效率。涂層吸收率可達(dá)96%，熱發(fā)射率被抑制到低于10%。研究人員通過(guò)時(shí)域有限差分法（FDTD）研究了涂層光吸收機(jī)制。長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性研究表明，高熵合金氮化物吸收涂層在600°C真空條件下，退火168小時(shí)后仍保持良好的光學(xué)性能；計(jì)算涂層在不同工作溫度和聚光比的光熱轉(zhuǎn)化效率發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作溫度為550°C、聚光比為100時(shí)，涂層的光熱轉(zhuǎn)化效率可達(dá)90.1%。該圖層顯示出優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率和熱穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A、Solar RRL、Journal of Materiomics上。

5、制備FCC單相結(jié)構(gòu)的高熵合金納米顆粒

東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院李逸興博士利用直流電弧等離子體放電方法制備一系列過(guò)渡族金屬元素高度混溶的合金納米顆粒，通過(guò)水蒸發(fā)速率測(cè)定結(jié)合密度泛函理論計(jì)算驗(yàn)證，證實(shí)上述納米顆粒具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率和應(yīng)用前景。借助球磨輔助制備的微米級(jí)高熵合金作為前驅(qū)體，本工作使用直流電弧等離子體放電方法成功獲得了具有FCC單相結(jié)構(gòu)的高熵合金納米顆粒，其元素最大混合數(shù)量達(dá)到了7種且元素分布均勻。對(duì)于上述材料進(jìn)行的光熱轉(zhuǎn)換性能的測(cè)試表明，材料在250至2500 nm的光譜上表現(xiàn)出了96%的吸收特性，同時(shí)在1個(gè)模擬太陽(yáng)光能量下，材料的水蒸發(fā)性能隨元素的增加同步增強(qiáng)，在7元納米顆粒中，材料的蒸發(fā)速率為2.26 kg m-2 h-1，轉(zhuǎn)化效率為98.4%，展現(xiàn)出了優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換特性。研究成果以“High-Entropy-Alloy Nanoparticles with Enhanced Interband Transitions for Efficient Photothermal Conversion”為題發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition。

6、新型輕質(zhì)高強(qiáng)、低成本共晶高熵合金

開(kāi)發(fā)在高溫下具有優(yōu)異性能的輕質(zhì)、低成本的結(jié)構(gòu)材料一直是研究人員追求的方向。迄今為止，廣泛用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)鎳基高溫合金的最高使用溫度已達(dá)到其熔點(diǎn)的80%。因此，這些高溫合金已無(wú)法滿足工作溫度進(jìn)一步升高而產(chǎn)生的更嚴(yán)苛的使用要求。共晶高熵合金(EHEAs)結(jié)合了高熵合金(HEAs)和共晶合金的優(yōu)點(diǎn)，并表現(xiàn)出可控的、接近平衡的微觀結(jié)構(gòu)，可以抵抗溫度變化直至共晶點(diǎn)，是高溫下應(yīng)用的絕佳候選者。EHEA具有良好的可鑄性，可以通過(guò)直接鑄造制成工業(yè)規(guī)模的鑄件。因此這種EHEA因其卓越的強(qiáng)度和延展性而受到關(guān)注。大連理工大學(xué)盧一平團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種質(zhì)輕且成本低的大塊共晶高熵合金，鑄態(tài)表現(xiàn)出更高的室溫、高溫硬度和比屈服強(qiáng)度，性能高于大多數(shù)已有報(bào)道的EHEAs、難熔HEAs和傳統(tǒng)合金。相關(guān)論文以題為“A novel bulk eutectic high-entropy alloy with outstanding as-cast specific yield strengths at elevated temperatures”發(fā)表在Scripta Materialia。

7、高熵合金和不銹鋼的異種焊接

近幾年，由于內(nèi)部多組元元素的固溶，使得高熵合金具有獨(dú)特的熱力學(xué)性能，逐漸成為各個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在異種結(jié)構(gòu)的連接中，焊接作為作為目前唯一的關(guān)鍵工藝，可用于連接具有不同性能的材料，制備出形狀復(fù)雜的整體材料。目前，對(duì)CrMnFeCoNi高熵合金的可焊性研究大多局限于同種材料焊接，對(duì)異種材料的焊接性研究尚不多見(jiàn)。一般來(lái)說(shuō)，一種材料的熱連接過(guò)程中有害相的析出損傷了整體結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能。了解焊接熱循環(huán)對(duì)異種焊接接頭組織的影響是優(yōu)化性能、防止缺陷產(chǎn)生或有害相形成的關(guān)鍵。高熵合金與異種金屬材料的焊接迄今為止含有報(bào)道。葡萄牙新里斯本大學(xué)的J.P. Oliveira團(tuán)隊(duì)研究了一種CoCrFeMnNi高熵合金與316不銹鋼的激光焊接工藝。獲得了無(wú)缺陷接頭。過(guò)耦合電子顯微鏡、高能同步x射線衍射、力學(xué)性能評(píng)估和熱力學(xué)計(jì)算，對(duì)焊接接頭的微觀組織演變進(jìn)行了評(píng)估和合理化分析。研究表明：熔合區(qū)顯微組織為單一的FCC相，硬度有明顯的提高。這些結(jié)果可以歸因于形成了新的固溶體。此外，不銹鋼熔煉時(shí)在熔合區(qū)加入碳也有助于強(qiáng)化效果。焊接接頭具有良好的力學(xué)性能，斷裂發(fā)生在熔合區(qū)。相關(guān)論文以題為“Dissimilar laser welding of a CoCrFeMnNi high entropy alloy to 316 stainless steel”發(fā)表在Scripta Materialia。

8、共晶魚(yú)骨高熵合金

在人造的韌性材料中，一些諸如裂紋之類的微觀損傷就能降低材料的服役壽命。像骨骼這類的生物復(fù)合材料，因其具有精細(xì)的多級(jí)微結(jié)構(gòu)，可以很好地抵御裂紋，但卻不具有高的延展性能。現(xiàn)在，有一項(xiàng)研究成功化解了這種互不兼容的矛盾。

上海大學(xué)鐘云波教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京科技大學(xué)王沿東教授團(tuán)隊(duì)合作，展示了一種定向凝固的原位復(fù)合材料-共晶高熵合金（EHEA），成功地協(xié)調(diào)了裂紋容限和高延伸率。可控凝固后的共晶高熵材料呈現(xiàn)出一種新型的多級(jí)共晶魚(yú)骨結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)仿生的多級(jí)裂紋緩沖。這種效應(yīng)結(jié)果誘導(dǎo)了穩(wěn)定、持續(xù)、沿晶體學(xué)跡線生長(zhǎng)的微裂紋，因而在塑性差的共晶層片中形成了高密的多重微裂紋。驚訝的是，相鄰的動(dòng)態(tài)應(yīng)變硬化韌性共晶層片可以施加給這些裂紋一種多級(jí)的裂紋緩沖效應(yīng)，因而有效地避免了裂紋不可控的災(zāi)難性生長(zhǎng)和破壞。研究的自緩沖共晶魚(yú)骨高熵材料產(chǎn)生了超高的均勻拉伸延伸率（約50%），是傳統(tǒng)不具備緩沖能力EHEAs的3倍，且沒(méi)有犧牲強(qiáng)度。

這項(xiàng)成果以題為“Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys”發(fā)表在了Science。上海大學(xué)為第一署名單位，上海大學(xué)鐘云波教授、德國(guó)馬克斯-普朗克研究所D. Rabbe教授和北京科技大學(xué)的王沿東教授為共同通訊作者，鐘云波教授指導(dǎo)的上海大學(xué)18級(jí)博士生時(shí)培建為第一作者。