FeMnCu系中熵合金及其复合材料制备与性能研究文献综述

 2022-11-24 22:42:08

文 献 综 述

  1. 前言

人类使用金属制造工具的历史可以追溯至几千年前，在单一金属中添加一种或少量其他元素的传统合金技术也由此发展，同时合金技术的进步往往会使社会生产制造能力进一步提升。但在传统合金设计中，随着掺入元素添加量的增加则会产生不利的影响，如热力学性能不稳定，生成复杂的脆性金属间化合物等，导致合金的性能恶化。而多主元合金设计理念的提出则打破了传统合金的固有设计理念，为探索开发新型结构和功能的合金材料提供了新的思路，同时其具有相较于传统合金更优异的性能在多领域具有广泛应用前景[1-3]。

  1. 国内外发展历程及现状
  2. 发展历程

叶均蔚[4]教授于2004年首次提出一种新的合金设计思路，即每种组元的原子分数在5%-35%之间，无主次之分。他们成功制备并研究了CuCoNiCrAlxFe系高熵合金的结构与性能，发现其具有更简单的相组成和一些较传统合金更优异的性能，开启了高熵合金领域的研究。随后，Ye等[5]发现随着合金主元数的增加，会使体系具有更高的混合熵，高混合熵会使体系更趋于形成简单的相结构而不是复杂的金属间相，易生成稳定固溶体。

相较于传统金属材料，高熵合金由于体系混合熵增大，晶体缺陷增多以及多种元素混合发生协同作用而表现出优异的性能，如高强度、高断裂韧性、高硬度、高耐磨性、耐高温、耐腐蚀等，最早进行研究的单相FCC合金CrMnFeCoNi就具有优异的机械性能[6]。针对高熵合金独特的特性，逐渐形成多主元高熵合金理念，以及相应的高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应四大效应，为高熵合金的成分设计提供理论基础，同时Wang等[7]通过塑性变形研究位错在多主元合金MoNbTi中产生的影响，为合金组分设计提供晶体缺陷角度的思路。随着研究的不断深入和理论支持，使得多主元合金基体体系不断丰富，如AlMoNbV[8]、CoCrCuFeNiMn[9]等。

  1. 研究现状

对于结构金属材料，高强韧性一直是研究者所追求的，多主元合金的研究为合金材料更优异的性能提供可能性。由于高熵合金含有多种元素，且原子含量在一定程度内可以进行调节，使得其在结构和性能上有更大的可调性。对于合金材料的相结构，FCC相有较好的塑性但强度较低，BCC相强度较高但塑性较差，因而通过调节合金体系中FCC与BCC两相的比例，可以使材料的综合性能提升。张正等[10]研究发现Al含量对AlxFeCoNiCu合金结构产生影响，随着Al含量增加，晶体结构从单一FCC相转变为混合的FCC BCC相，并向单一BCC相转变，同时Al的增加使体系晶格畸变加剧，固溶强化加强，具有更大的硬度。Qiu等[11]研究了Fe含量与FexCoNiCu合金性能的关系，Fe含量增加使合金由FCC相转变为FCC与BCC双相，在x=2.5时合金具有最大的抗拉强度，达到639MPa，并将合金强度的提高归结于Fe含量增加所导致的合金中析出相的形成。对于合金产物相组成的理论计算研究也一直在进行，Beyramali Kivy等[12]采用分子动力学的方法研究铸造AlFeCoNiCu合金中的相组成，结合相关实验，成功预测并验证了在1073K时由两相共存到单相FCC相的多态相变过程，为合金体系的理论计算提供了支持。

虽然现今已成功制备出不同体系高熵合金，但其制备方法还没有形成较为系统的工艺，制备方法大多仍以传统合金的制备方法为主，可分为固相法、液相法、气相法及电化学制备法等。龙燕等[13]通过机械合金化成功制备出 FeCoNiCu0.4Al0.4 合金，并验证所得的合金为单项FCC固溶体。刘晓东[14]采用直流磁控溅射技术制备CoCrFeNi多主元合金薄膜，研究溅射功率对合金薄膜组织性能的影响，发现低功率时形成非晶薄膜，高功率下合金薄膜会转变为单一FCC结构。张鹏等[15]采用电化学沉积法成功制备非晶态高熵合金Fe13.8Co28.7Ni4.0Mn22.1Bi14.9Tm16.5薄膜，可以精确控制元素组分。电弧熔炼与感应熔炼是液相制备高熵合金最常用的方法，合金的所有组分元素在熔融状态下完全混合，通过降温使其固化得到均匀的合金。Sun等[16]通过真空感应熔炼，以Al-Fe-Co-Ni-Cu-Ti-C为原料制备不同Al含量的TiC颗粒增强合金，研究发现TiC增强相颗粒均匀分布在基体中，随着Al含量的增加，基体相组成发生变化，并在x=0.6时具有最优的抗拉断裂强度，达675MPa。

由于金属材料的应用对所需具有的力学性能要求不断提升，使研究者们更加关注材料性能的强化。研究的热点集中在通过引入第二相来提高合金材料的强度。通常有两种方法[17]，即合金形成的过饱和固溶体从自身析出有序固溶体和脆性金属间化合物作为第二相，当合金受力时，位错运动绕过第二相粒子发生位错强化或在基体中外加第二相粒子，如较高硬度、强度、耐高温的陶瓷粒子，加入后会与合金形成非共格关系，大幅度提升合金材料的性能。但在较高温度下，合金基体自身析出的第二相往往会发生回溶现象，使高温性能迅速下降。因此，合金材料增强相的引入普遍采用外加第二相粒子的方式。对于多组元合金，引入一定含量的陶瓷颗粒，使其在合金基体里细小、弥散分布，是提高其力学性能的关键方法之一。Sephira Riva等[18]研究添加不同增强剂(纳米金刚石、SiC、Sc2O3、h-BN、c-BN和CN)对Al2CoCrFeNi合金性能的影响，样品的SEM显示纳米金刚石弥散分布于基体中，使合金的机械性能得到提升，同时他们将部分复合材料的热性能及力学性能不理想归因于残余孔隙率的存在和添加剂与基体之间的亲和力较低等，可以通过改变添加剂的种类和用量使其改善。Łukasz Rogal等[19]以CoCrFeMnNi合金为基体，球形SiC纳米颗粒为增强相制备新型金属基纳米复合材料，SiC颗粒沿FCC基体晶界分布，添加5wt%SiC使CoCrFeMnNi合金的室温压缩屈服强度从1180 MPa提高到1480 MPa。除了添加陶瓷颗粒，研究人员也探索出其他强化方法，Lei等[20]通过有序氧配合物来提高合金的强度和塑性，揭示出金属材料中的间隙固溶体作用和有序化强化现象。Damian Kalita等[21]研究以CoCrFeMnNi为基体插入Al2O3纳米粒子的新型复合材料，实验结果显示加入5%的alpha;-Al2O3纳米粒子可显著提高材料的屈服强度，最高可达1600 MPa，同时阐述了面心立方固溶体基体中的孪晶是复合材料塑性的主要原因。

近来，鉴于高熵合金独特的性能，研究者开始将目光转向于将其引入一些传统合金中制备复合材料，期望制备在具有高强高模的同时还能兼顾较好塑性和韧性的合金材料。朱德智等[22]采用将Al0.25Cu0.75FeNiCo 高熵合金颗粒引入铝合金，发现复合材料的弹性模量和硬度随着高熵合金含量的增加而增大，但复合材料的抗拉强度和延伸率呈现出先增后减的趋势。魏婷[23]对高熵合金增强Cu基复合材料进行研究，发现随着AlFeCrCoNi合金强化相含量的增加，复合材料的致密度降低，电导率降低，硬度增大，抗压强度先增大后减小，Cu20wt.%AlFeCrCoNi复合材料在973K，100MPa烧1h后水冷，其压缩屈服强度与纯铜相比增加了1.38倍。

  1. 应用

高熵合金及相关复合材料具有高温下良好的机械性能、室温下的断裂韧性以及好的的耐腐蚀性能等，具有广泛的应用前景。如在核电，航空航天领域大量需求的耐高温材料，Senkov等[25]通过真空电弧熔炼的方法制备NbMoTaW合金在1600℃ 时的屈服强度超过 400MPa，具有比普遍使用的Ni基合金更高的屈服强度。同时其在高温下具有更好的热稳定性和低的密度，在未来的应用极具前景。而一些高熵合金材料，在低温下的断裂韧性几乎保持恒定，使其具备在严寒条件下工作的能力，在研究发展中极具竞争力。

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