美研究人员研发出全新高熵合金,强度高于钛合金

导读：来自美国北卡罗莱纳州立大学和卡塔尔大学的研究人员合作，日前研发了全新高熵合金，该材料拥有更高的强度重量比，目前任何一种金属都不具备这样的优越性能。研究人员利用机械合金法融合锂、镁、钛、铝和钪来打造低密度纳米晶合金(Al20Li20Mg10Sc20Ti30)，预估的材料强度重量比要明显高出其它纳米晶合金，甚至可以与陶瓷相媲美。

    来自美国北卡罗莱纳州立大学和卡塔尔大学的研究人员合作，日前研发了全新高熵合金，该材料拥有更高的强度重量比，目前任何一种金属都不具备这样的优越性能。研究人员利用机械合金法融合锂、镁、钛、铝和钪来打造低密度纳米晶合金(Al20Li20Mg10Sc20Ti30)，预估的材料强度重量比要明显高出其它纳米晶合金，甚至可以与陶瓷相媲美。

    高熵合金(HEAs)是多组分合金系统中的一个全新分类，这种合金的设计理念不是向金属材料中添加单一基本元素，而是选择那些可以在近等原子混合条件下，形成固溶体的各种元素物质。

    低密度、高强度合金的应用在交通运输和能源领域有助于节省资源消耗，虽然相关研发一直都是被关注的热点问题，但是迄今为止很少有低密度高熵合金研究的报导(这里低密度是指密度小于3克/立方厘米)，而单相低密度高熵合金甚至从没有被报导过。发表的专业论文则在生产工艺、材料结构和机械强度等方面详细分析了创新型低密度高熵合金。

    因为锂和镁具有较高的蒸汽压力，研发人员利用机械合金法来生产合金，而不是传统的熔融铸造工艺。随着处于高纯度氩保护气氛手套式操作箱中的不锈钢球，原材料粉末被输送到不锈钢瓶中;球磨研磨工艺在一个改进的SPEX 8000混磨机中执行，混磨机首先要在液氮环境下冷却2小时，然后在室温下连续研磨14个小时。液态氮气冷却混磨机，能够防止在机械研磨初期，因摩擦生热造成的粉末熔接现象发生。

    新型高熵合金的密度为2.67克/立方厘米，纳米晶晶粒直径为12纳米，机械硬度达到5900兆帕。密度大小和铝合金基本相同，但是强度要超过钛合金，具有高强度和低密度的双重特点;强度重量比甚至可以与一些陶瓷相提并论，而且比陶瓷更有韧性，不易碎裂。研发人员还在围绕这种新型材料展开更深入的工作，试图全面了解该高熵合金的特性，并发掘出zui合适的生产制造工艺。

    现在这种合金面临的zui主要问题是，材料含有20%的金属钪，而钪的价格非常昂贵;研发人员正努力探究钪是否能够从合金中被取代或移除。

    目前，高熵合金一般可以被定义为由五个以上的元素组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，一般形成高熵固溶体相的一类合金。简言之，五元合金相图中，在中间位置存在固溶体相区，这种固溶体目前认为是混合熵稳定的固溶体。

    高熵合金具有一些传统合金所*的优异性能，如高强度、高硬度、高耐磨耐腐蚀性、高热阻、高电阻等，从而成为在材料科学和凝聚态物理领域中继大块非晶之后一个新的研究热点。目前，高熵合金的研究多是集中在铸态下的性能测试，我们知道铸态下的产品有着天然的性能缺陷(如由于热胀冷缩造成的空洞、疏松等)，而对其热处理、热加工后的性能研究缺少有报道。有人曾预言，未来几十年内，zui有发展潜力的三大研究热点是大块非晶、复合材料和高熵合金。

    目前，根据研究高熵合金性质和特点，总结出高熵合金的4大效应：

1.热力学上的高熵效应

    当合金由两种元素等原子比混合时其合金熔体的混合熵为0.69R，而由五种元素组成的等原子比合金熔体的混合熵已经可以达到1.61R，而一般金属合金的熔化熵为1R左右。可以看出，高熵合金的混合熵要明显高于传统金属合金。当等原子比合金熔体的混合熵随合金组元数的增加而增加，但是当组元数超过13以后，其合金熔体的混合熵增长的幅度将趋于平缓。

2.结构上的晶格畸变效应

    高熵合金存在着严重的晶格畸变，严重的晶格畸变必然会影响到材料的力学，热学，电学等一系列性能。如高热阻，高电阻效应。

3.动力学上的迟滞扩散效应

    相变取决于原子扩散，它需要组元之间的协同扩散才能达到不同相的平衡分离。这种必要的协同扩散，以及阻碍原子运动的晶格畸变，都会限制高熵合金中的有效扩散速率。在高熵合金的铸造过程中，冷却时的相分离在高温区间通常被抑制从而延迟到低温区间。

4.性能上的“鸡尾酒"效应

    高熵合金的“鸡尾酒"效应是指其多种元素的本生特性和他们之间相互作用使高熵合金呈现一种复杂效应。这种“鸡尾酒"效应是一位印度科学家首先提出的。举例来说，如果使用较多轻元素，合金的总体密度将会减小;如果使用较多的抗氧化元素，如铝或硅，合金的高温抗氧化能力就会提高。

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