高熵合金领域高被引的11篇文章，给过你那些启示？

2019-05-21 14:13:48 作者：刘一来源：材料人分享至：

自1996年高熵合金（多主元合金）在论文中第一次被提出后，关于高熵合金的文章如雨后春笋层出不穷。这种新型合金刚被提出时定义为：由等摩尔比的五个或更多元素组成的合金，又要求每个摩尔浓度在5~35%之间。随着研究的深入，又提出中熵合金和低熵合金的概念，要求也越来越低，成分可以使三种或四种元素混合，摩尔比也可以是非等摩尔，无疑是壮大了多主元合金家族。

高熵合金的各种性能也没有让人失望，稳定的单相组织（常见FCC、BCC、HCP）给予它很好的抗腐蚀性能；迟滞扩散效应也赋予了它突出的抗蠕变性能，同时CoCrFeNi基优异的低温拉伸性能以及ZrHfTaW等难熔金属优良的高温压缩性能，这些性能都给高熵合金替代传统金属带来了可能，使得高熵合金很大的应用前景。

在这里我们详细介绍高熵合金两年内高被引的11篇文章，希望这些高质量的文章能祝你更好地理解高熵合金，也给你灵感闪现的瞬间。

No.1 Science and technology in high entropy alloys

亮点：这是2018年由北京科技大学的张勇和美国田纳西大学Liaw, Peter K.合作在SCIENCE CHINA-MATERIALS上发表的的一篇综述，主要指出了HEAs（High Entropy Alloys）的制备方法、组成设计、相形成和微观结构、各种性能以及建模与仿真计算。此外，还提出了HEAs的未来发展趋势和前景。

图一合金化学复杂性随时间的上升趋势图

图二多主元合金通过对比熵值大小的分类方式

这篇综述给出了合金化学复杂性随时间的上升趋势图，以及高熵、中熵、低熵的划分界限（R气体摩尔常数），高的熵值使它不同于其它合金，更易于形成单一稳定的相。

同时介绍了几类合成方式，包括液体混合的真空熔炼类：电弧熔炼、电阻熔炼、感应熔炼、激光熔覆等：固体混合的机械合金化以及随后的固体烧结；气体混合的溅射沉积，脉冲激光沉积，原子层沉积，分子束外延和气相沉积等。

图三 HEAs常温和高温下的压缩性能

这是在常温和高温下的压缩性能，成分多样化使得合金的适用范围特别广泛，在耐高温、耐疲劳等方面具有传统合金不具备的优势。

图四 AlxCoCrFeNi HEAs的耐辐照性能

同时给出高熵合金与几种传统合金在耐腐蚀性能的对比、并解释出高熵合金在抗辐照性能上所具有的优势。

No.2 Carbothermal shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles

亮点：这篇文章大家一定不会陌生，曾登上Science的封面，由马里兰大学胡良兵、伊利诺伊大学芝加哥分校Reza Shahbazian-Yassar,、约翰霍普金斯大学Chao Wang、麻省理工大学Ju Li（共同通讯）发表。这里提出了一种将多达8种不同元素合金化为单相固溶纳米颗粒（称为高熵合金纳米颗粒（HEA NP））。

将前体金属盐混合物热冲击加载到碳载体上[温度~2000K，持续时间55Ms，速率~105K/S ]。通过控制碳热冲击（CTS）参数（基体、温度、冲击持续时间和加热/冷却速率），合成了具有所需化学（成分）、尺寸和相（固溶体、相分离）的多种成分纳米颗粒。并合成了五元HEA-NP作为氨氧化催化剂，经过长时间的实验测试，其转化率约为100%，氮氧化物选择性大于99%。

图五 CTS在碳载体上合成HEA-NPs

图六五元HEA-NPs的元素表征

图七五元HEA-NPs（PtPdRhRuCe）用于氨氧化的催化性能

No.3 Composition design of high entropy alloys using the valence electron concentration to balance strength and ductility

亮点：通过Ni和Mo来调节价电子浓度价电子浓度（VEC）是形成相的重要物理因素。高VEC有助于形成FCC相并提高合金的延展性，而低VEC有助于形成提高合金强度的BCC相。

图八通过掺杂高或者低价电子浓度的元素来均衡基体的价电子浓度

为了证明设计了CoCrCuFeNi（FCC）和AlCoCrFeNi（BCC）两个HEAS为基体合金，其中Ni和Mo为调节VEC元素。

系统地研究了（AlCoCrFeNi）（100-x）Nix和（CoCrCuFeNi）（100-x）Mox的微观结构、相演变和力学性能。当Ni含量从0%增加到16%时，（AlCoCrFeNi）（100-x）Nix高熵合金（HEA）的相结构由BCC转变为FCC晶体结构，FCC体积分数从0%增加到85%，压缩断裂应变从25%增加到40%，VEC从7.2增加到7.6。随着Mo含量从0%增加到16%时，（CoCrCuFeNi）（100-x）Mox-HEA的相结构由FCC转变为BCC，BCC体积分数从0%增加到65%，其压缩屈服强度从260兆帕增加到928兆帕，VEC从8.8降低到8.3。根据合金的VEC选择元素是设计强度和延展性平衡的HEA成分的一种实用方法。根据实际应用的需要，平衡强度和塑性需要以下标准来选择一个用于HEA系统的元件：通过选择一个低于平均VEC的元素来提高基体强度，而通过选择另一个高于矩阵平均VEC的元素来提高基体塑性。通过添加Ni和Mo调节价电子浓度，基体的XRD衍射峰以及压缩性能变化。

图九（AlCoCrFeNi）100-xNix 和（CoCrCuFeNi）100-xMox的XRD图样以及常温下压缩曲线

No.4 Thermodynamic instability of a nanocrystalline, single-phase TiZrNbHfTa alloy and its impact on the mechanical properties

亮点：这篇文献的研究结果对原TiZrNbHfTa合金的相态及其对力学性能的影响有了新的认识。此外，初始的单相合金可能是合成复杂纳米复合材料结构的实用基础。通过选择合适的退火时间和温度来优化强度和延性之间的权衡，可以调整各个相的体积分数。

一种等原子单相TiZrNbHfTa高熵合金经高压扭转处理，晶粒尺寸小于100nm。在材料中引入纳米晶体微观结构有助于加速材料的相分解，因为这种材料具有大量快速扩散路径和晶界形核位置。为了测试纳米晶高熵合金材料的热力学稳定性。在300℃和1100℃之间进行了各种热处理。500℃退火1h导致硬度从未热处理的420Hv增加到的530Hv，而在700℃下硬度低于未热处理态。因原等摩尔单相高熵合金的相分解为富NbTa BCC相和富ZrHf相，这两种不同的晶体结构取决于退火温度，是导致性能变化的主要原因。所得结果不仅为TiZrNbHfTa合金的相稳定性提供了有价值的新见解，而且证明了新形成相对力学性能的影响及其对该合金可能实际应用的意义。

图十高压扭转后TiZrNbHfTa的微观组织和压缩性能

NO.5 Aging behavior of the HfNbTaTiZr high entropy alloy

亮点：本文将铸态HfNbTaTiZr在1200℃均化、600～1000℃退火1～100h，然后对其组织和显微硬度进行了研究。同时分析了第二相粒子析出对显微硬度的影响。研究了600-1000°C退火1-100h对均匀化（1200°C，24h）HfNbTaTiZr合金组织和显微硬度的影响。结果表明，合金在600℃时效10 h后，显微硬度由均化状态下的370 HV提高到500 HV，硬化与合金基体中富HF、Ta HCP颗粒的析出有关。在800℃退火后也观察到第二个HCP相的形成；但是由于颗粒的尺寸较大，硬化效果明显较低。在这两种温度下，HCP相的含量随热处理时间的增加而增加。

图十一 HfNbTaTiZr 600 °C （a, b）， 800 °C （c, d）在10h （a, c） and 100h （b, d）下的微观组织和各温度下的硬度折线图以及800°和600°100小时下的XRD图样

NO.6 Controlled formation of coherent cuboidal nanopreci- -pitates in body-centered cubic high-entropy alloys based on Al2（Ni,Co,Fe,Cr）14compositions

亮点：以Al2M14（M代表四种不同的过渡金属）的组成式为基础，研究了Al-Ni- Co-Fe-Cr高熵合金的微观结构演变、相变、立方形沉淀的形成原因和力学性能。

研究了Al-Ni-Co-Fe-Cr高熵合金（HEAS）通过系统的调节Al2M14 而不是单纯的Al来改变基体的的微观结构和力学性能。评估了不同晶体结构（fcc、bcc或Fcc+Bcc混合物）的形成及其对该系列HEA拉伸和压缩力学性能的影响。结果表明，在以BCC为主的HEA体系中，有序的B2沉淀在BCC固溶体基体中始终呈连续分布。无序BCC和有序B2之间的晶格失配对这些B2沉淀的形状有很大影响。通过适当调整M可以获得均匀分布的立方B2粒子，从而以与镍基高温合金相似的方式，估算了不同BCC/B2形貌所产生的强化效应，并与实验测量结果进行了比较。并根据这些热分析中晶格失配的情况，讨论了作为相干沉淀形状和尺寸函数的最佳强化。

图十二 Al-Ni-Co-Fe-Cr高熵合金的微观组织、拉伸性能和硬化曲线

NO.7 Compositional variation effects on the microstructure and properties of a refractory high-entropy superalloy AlMo0.5NbTa0.5TiZr

亮点：尝试通过调整AlMo0.5NbTa0.5TiZr基高温合金的成分，在保持由纳米级相组成的等轴晶粒组织的同时，去除粗糙的GB金属间相。基于Al-Zr二元体系中形成的大量金属间相以及与其他组分元素相比，HEA组分中存在较大的电负性差异，首次研究并表征了减少Al和Zr对HEA微观结构的影响。此外，还探讨了去除Mo对合金相组成、强度和延性的影响。

AlMo0.5NbTa0.5TiZr基合金在600℃以下具有良好的高温强度，但金属间晶界颗粒粗大和连续有序的B2基体相，所以延展性较差。通过系统的成分变化来消除有害的微观结构并改善力学性能。研究了几种HEA：AlMo0.5NbTa0.5TiZr0.5、AlNbTa0.5TiZr0.5、Al0.5Mo0.5NbTa0.5TiZr和Al0.25NbTaTiZr均具有有序的B2基体相。此外，在AlMo0.5NbTa0.5TiZr、Al0.5Mo0.5NbTa0.5TiZr和Al0.25NbTaZr中，B2基体晶粒内存在高体积分数的相干BCC纳米沉淀， AlMo0.5NbTa0.5TiZr和AlMo0.5NbTa0.5TiZr0.5中存在粗糙的晶界的沉淀BCC纳米粒子，室温时Al0.5Mo0.5NbTa0.5TiZr显示最高硬度（Hv=6.4Gpa）和强度（σ=2350MPa），在1000℃下显示中等强度（σ=579MPa）。AlMo0.5NbTa0.5TiZr0.5在1000℃下具有最高强度的（σ=935兆帕），但在25℃下是易碎的。高温变形在Al0.5Mo0.5 NbTa0.5 TiZr和Al0.25 NbTaTiZr合金中产生了理想的微观结构，由连续的BCC相和不连续的B2纳米沉淀物组成。

图十三各成分的高熵合金的微观组织和在室温和高温下圧缩曲线

NO.8 Stacking fault energy of face-centered-cubic high entropy alloys

亮点：为了揭示元素组分对层错能的影响以及层错能与HEAs的关系，选择了NiCoCr, FeCoNiCr, FeCoNiCrMn, （FeCoNiCr）94Mn6, （FeCoNiCr）86Mn14 和 Fe20Co15Ni25Cr20Mn20作为研究对象。利用弱束暗场成像技术，对部分位错对进行了分析，并确定了合金的层错能。

用弱束暗场透射电镜对几种典型面心立方（FCC）高熵合金（HEAS）的层错能（SFE）进行了实验测量。研究发现，FeCoNiCrMn HEA体系的SFE主要取决于单个组分的SFE。具体来说，该体系的SFE与合金中的Ni浓度密切相关。此外，较低的SFE有助于在应力作用下形成更多尺寸较小的变形孪晶，从而导致更好的机械性能，尤其是在低温下。

图十四几种高熵合金的中的位错和位错宽度、层错能大小以及拉伸应力曲线

NO.9 High-Entropy Alloys: Potential Candidates for High Temperature Applications - An Overview

亮点：详细的介绍了用于高温的HEAs，重点关注了高温HEAs的研究前沿和应用前景，给出一些研究高温合金的方法和预测方式。

同样是一篇综述，这篇文章主要从开发高温应用的新型高熵合金，使其具有比高温合金更高的高温性能，同样这也是是高温材料研究界关注的主要问题之一。研究表明，HEAS有潜力取代镍基高温合金作为下一代高温材料，作者综述了HEAS的相稳定性、微观结构稳定性和高温力学性能，这将有助于材料科学和工程界对高温应用HEAS的发展和理解有兴趣。由于和第一篇综述稍有重合便不多做介绍，下面是CoCrFeNiAlx铸态和在1173K以及1373K处理后的显微结构图，比较经典。

图十五 CoCrFeNiAlx铸态和在1173K以及1373K处理后的显微结构

NO.10 Microstructure and Mechanical Properties Evolution of the Al, C-Containing CoCrFeNiMn-Type High-Entropy Alloy during Cold Rolling

亮点：研究了Al约为3.4%、C约0.7%的共CoCrFeNiMn型HEA在轧制过程中的变形机理、组织演变和拉伸性能。

化学成分（at%）为Co、Cr、Fe、Ni（20-23）和Mn 8.82、Al 3.37和C 0.69的合金是通过高温自蔓延合成和随后的诱导产生的。在初始铸态条件下，合金具有FCC单相粗晶组织，组织演化主要与轧制过程中相对较低变形时的平面位错滑移（高达20%）或较高应变下的变形孪生和剪切带有关。变形量80%后，观察到严重变形的双晶/亚晶结构。与等原子共晶锰合金相比，冷轧各阶段的位错密度较高，随后开始变形孪生，这归因于程序合金中的层错能增加。在初始铸态条件下，合金的屈服强度较低为210MPa，但均匀延伸率很高为74%。轧制80%后，屈服强度接近1310MPa，均匀延伸率下降到1.3%。研究发现，在低轧制减薄率（<40%）下，下部结构强化占主导地位，而在高应变下，晶粒（孪晶）边界强化占主导地位。

图十六合金在（（a） 5%; （b） 10%; （c,d） 20%; （e） 40%; （f） 60%; （g） 80%.）变形量下的微观组织和拉伸应力曲线

NO.11 Thermal activation parameters of plastic flow reveal deformation mechanisms in the CrMnFeCoNi high-entropy alloy亮点：从理论上解释了活化体积的变化趋势，揭示了速率依赖变形的机理是固溶强化和林位错硬化。描述了用于获得活化体积的实验和分析方法。总结了流动应力与应变率、温度和塑性应变的具体理论框架为了揭示催化裂化高熵合金塑性变形的作用机理，采用重复载荷松弛实验，测定了在77K～423K范围内，CrMnFeCoNi合金的活化体积随塑性应变和温度的变化规律。在屈服应力σ（y）下，活化体积在77 K到293 K变化时从60b3变化到360b3相似，与屈服应力成反比。随着塑性应变的增加，活化体积减小，趋势遵循Cottrell-Stokes定律，根据该定律，反活化体积应随σ（y）线性增加。位错之间的间距减小与林位错密度增加导致的硬化与活化体积减少的观点是一致的。活化体积的数值和趋势与将HEA视为高浓度固溶强化合金的理论预测一致。这些结果表明，这种热变形是由FCC合金中典型的溶质强化机制造成的，因此，高结构复杂性并不引入任何新的固有变形机制。

图十七 CrMnFeCoNi应力松弛下的活化能体积