美研究人員研發出全新高熵合金,強度高于鈦合金

導讀：來自美國北卡羅萊納州立大學和卡塔爾大學的研究人員合作，日前研發了全新高熵合金，該材料擁有更高的強度重量比，目前任何一種金屬都不具備這樣的優越性能。研究人員利用機械合金法融合鋰、鎂、鈦、鋁和鈧來打造低密度納米晶合金(Al20Li20Mg10Sc20Ti30)，預估的材料強度重量比要明顯高出其它納米晶合金，甚至可以與陶瓷相媲美。

    來自美國北卡羅萊納州立大學和卡塔爾大學的研究人員合作，日前研發了全新高熵合金，該材料擁有更高的強度重量比，目前任何一種金屬都不具備這樣的優越性能。研究人員利用機械合金法融合鋰、鎂、鈦、鋁和鈧來打造低密度納米晶合金(Al20Li20Mg10Sc20Ti30)，預估的材料強度重量比要明顯高出其它納米晶合金，甚至可以與陶瓷相媲美。

    高熵合金(HEAs)是多組分合金系統中的一個全新分類，這種合金的設計理念不是向金屬材料中添加單一基本元素，而是選擇那些可以在近等原子混合條件下，形成固溶體的各種元素物質。

    低密度、高強度合金的應用在交通運輸和能源領域有助于節省資源消耗，雖然相關研發一直都是被關注的熱點問題，但是迄今為止很少有低密度高熵合金研究的報導(這里低密度是指密度小于3克/立方厘米)，而單相低密度高熵合金甚至從沒有被報導過。發表的專業論文則在生產工藝、材料結構和機械強度等方面詳細分析了創新型低密度高熵合金。

    因為鋰和鎂具有較高的蒸汽壓力，研發人員利用機械合金法來生產合金，而不是傳統的熔融鑄造工藝。隨著處于高純度氬保護氣氛手套式操作箱中的不銹鋼球，原材料粉末被輸送到不銹鋼瓶中;球磨研磨工藝在一個改進的SPEX 8000混磨機中執行，混磨機首先要在液氮環境下冷卻2小時，然后在室溫下連續研磨14個小時。液態氮氣冷卻混磨機，能夠防止在機械研磨初期，因摩擦生熱造成的粉末熔接現象發生。

    新型高熵合金的密度為2.67克/立方厘米，納米晶晶粒直徑為12納米，機械硬度達到5900兆帕。密度大小和鋁合金基本相同，但是強度要超過鈦合金，具有高強度和低密度的雙重特點;強度重量比甚至可以與一些陶瓷相提并論，而且比陶瓷更有韌性，不易碎裂。研發人員還在圍繞這種新型材料展開更深入的工作，試圖全面了解該高熵合金的特性，并發掘出zui合適的生產制造工藝。

    現在這種合金面臨的zui主要問題是，材料含有20%的金屬鈧，而鈧的價格非常昂貴;研發人員正努力探究鈧是否能夠從合金中被取代或移除。

    目前，高熵合金一般可以被定義為由五個以上的元素組元按照等原子比或接近于等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵，一般形成高熵固溶體相的一類合金。簡言之，五元合金相圖中，在中間位置存在固溶體相區，這種固溶體目前認為是混合熵穩定的固溶體。

    高熵合金具有一些傳統合金所*的優異性能，如高強度、高硬度、高耐磨耐腐蝕性、高熱阻、高電阻等，從而成為在材料科學和凝聚態物理領域中繼大塊非晶之后一個新的研究熱點。目前，高熵合金的研究多是集中在鑄態下的性能測試，我們知道鑄態下的產品有著天然的性能缺陷(如由于熱脹冷縮造成的空洞、疏松等)，而對其熱處理、熱加工后的性能研究缺少有報道。有人曾預言，未來幾十年內，zui有發展潛力的三大研究熱點是大塊非晶、復合材料和高熵合金。

    目前，根據研究高熵合金性質和特點，總結出高熵合金的4大效應：

1.熱力學上的高熵效應

    當合金由兩種元素等原子比混合時其合金熔體的混合熵為0.69R，而由五種元素組成的等原子比合金熔體的混合熵已經可以達到1.61R，而一般金屬合金的熔化熵為1R左右?？梢钥闯?，高熵合金的混合熵要明顯高于傳統金屬合金。當等原子比合金熔體的混合熵隨合金組元數的增加而增加，但是當組元數超過13以后，其合金熔體的混合熵增長的幅度將趨于平緩。

2.結構上的晶格畸變效應

    高熵合金存在著嚴重的晶格畸變，嚴重的晶格畸變必然會影響到材料的力學，熱學，電學等一系列性能。如高熱阻，高電阻效應。

3.動力學上的遲滯擴散效應

    相變取決于原子擴散，它需要組元之間的協同擴散才能達到不同相的平衡分離。這種必要的協同擴散，以及阻礙原子運動的晶格畸變，都會限制高熵合金中的有效擴散速率。在高熵合金的鑄造過程中，冷卻時的相分離在高溫區間通常被抑制從而延遲到低溫區間。

4.性能上的“雞尾酒"效應

    高熵合金的“雞尾酒"效應是指其多種元素的本生特性和他們之間相互作用使高熵合金呈現一種復雜效應。這種“雞尾酒"效應是一位印度科學家首先提出的。舉例來說，如果使用較多輕元素，合金的總體密度將會減小;如果使用較多的抗氧化元素，如鋁或硅，合金的高溫抗氧化能力就會提高。

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