輕質(zhì)高熵合金的研究進(jìn)展

駱再斌， 范子澤， 彭 振

(江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

傳統(tǒng)合金通常是基于單一主元的合金，如鋁合金、鎂合金和鈦合金等。而正是受限于這種思想，合金材料的成分區(qū)間受到了限制，性能的提高遇到了瓶頸。為了打破這種瓶頸，研究者們不斷進(jìn)行研究，并開(kāi)發(fā)出了大塊金屬玻璃、橡膠金屬以及大塊非晶合金等新型合金。而高熵合金(HEAs)的概念便是臺(tái)灣學(xué)者葉均蔚教授在探索新型合金的過(guò)程中于2004年首次提出[1]。即由5種及以上元素組成，且各元素的原子分?jǐn)?shù)在5%～35%之間的合金。高熵合金含有多種元素，且每種元素的含量相近，因此合金中不存在溶質(zhì)和溶劑原子之分。從而使得高熵合金表現(xiàn)出4大特性，即高熵效應(yīng)、緩慢擴(kuò)散效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)和“雞尾酒”效應(yīng)[2]。在這4大效應(yīng)的共同作用下，使得高熵合金具有了優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、高硬度、良好的耐腐蝕性、高的抗高溫軟化能力等[3-5]。Gludovatz等[6]研究了單一FCC相結(jié)構(gòu)的FeCoCrNiMn高熵合金的抗拉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)該合金具有極高的抗拉強(qiáng)度，為1 GPa。且在低溫環(huán)境中，其力學(xué)性能得到了進(jìn)一步提高，可以作為低溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)材料使用。Lei等[7]在TiZrHfNb合金的基礎(chǔ)上制備了最佳摻氧變體(TiZrHfNb)98O2以及含氮間隙變體(TiZrHfNb)98N2，且這兩種變體表現(xiàn)出了極高的抗拉強(qiáng)度，分別為1.11 GPa和1.30 GPa。另外關(guān)于熱處理對(duì)高熵合金結(jié)構(gòu)和性能的影響[8-9]，以及高熵合金中的一些特殊的變形機(jī)制、合金化效應(yīng)、固溶強(qiáng)化效應(yīng)以及鋸齒流變現(xiàn)象等也有相關(guān)研究[10-12]。

然而目前材料應(yīng)用日趨輕量化，能源交通領(lǐng)域、軍事工業(yè)領(lǐng)域和航空航天領(lǐng)域等都需要性能更加良好的輕質(zhì)材料。而對(duì)于傳統(tǒng)的輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金等都存在著一些問(wèn)題。如鋁合金和鎂合金的強(qiáng)度低，鈦合金價(jià)格昂貴等。高熵合金的概念被提出之后，研究者發(fā)現(xiàn)通過(guò)合理的組元設(shè)計(jì)，可以制備出具有良好力學(xué)性能且密度較低的輕質(zhì)高熵合金。如圖1 所示，總結(jié)了傳統(tǒng)材料、陶瓷、金屬等一些材料的比強(qiáng)度。從圖1可以看出，輕質(zhì)高熵合金表現(xiàn)出了高于大部分傳統(tǒng)材料的比強(qiáng)度，因此輕質(zhì)高熵合金引起了廣泛的研究。由于輕質(zhì)高熵合金自2010年才進(jìn)入人們的視野，所以還沒(méi)有十分明確的關(guān)于輕質(zhì)高熵合金的定義。目前關(guān)于輕質(zhì)高熵合金的定義主要有3類，分別是密度低于3 g/cm3的高熵合金，密度接近傳統(tǒng)鈦合金(4.5 g/cm3)的高熵合金以及密度低于7 g/cm3的高熵合金。為了更加全面地總結(jié)目前輕質(zhì)高熵合金的研究進(jìn)展，本文主要對(duì)近些年已經(jīng)報(bào)道的密度低于7 g/cm3的輕質(zhì)高熵合金的結(jié)構(gòu)、性能和設(shè)計(jì)方法等方面進(jìn)行總結(jié)闡述，并對(duì)未來(lái)的研究工作進(jìn)行展望。

圖1 不同工程材料比強(qiáng)度值[13]Fig.1 Specific strength value of different engineering materials[13]

1 輕質(zhì)高熵合金的研究現(xiàn)狀

根據(jù)元素特性，輕質(zhì)高熵合金體系大概可分為3類：一是以常規(guī)金屬元素Al、Cr、Fe、Ni、Co等為主構(gòu)成的輕質(zhì)高熵合金體系；二是含有一種或幾種難熔金屬元素Nb、Mo、Ta、W的輕質(zhì)高熵合金體系；三是以Mg、Li等低密度元素為主的輕質(zhì)高熵合金體系。

1.1 常規(guī)金屬元素Al、Cr、Fe、Ni、Co構(gòu)成的輕質(zhì)高熵合金體系

在設(shè)計(jì)輕質(zhì)高熵合金時(shí)，常會(huì)選用Al、Cr、Fe、Ni、Co等一些常規(guī)元素。Sanchez等[14]研制的3種新型輕質(zhì)高熵合金Al40Cu15Cr15Fe15Si15、Al65Cu5Cr5Si15Mn5Ti5、Al60Cu10Fe10Cr5Mn5Ni5Mg5，密度為3.7～4.6 g/cm3,具有極高的硬度743～916 HV。Tseng等[15]利用真空電弧熔煉的方法制備的Al20Be20Fe10Si15Ti35輕質(zhì)高熵合金，具有極低的密度3.91 g/cm3和高的硬度911 HV。如圖2 所示，Al20Be20Fe10Si15Ti35表現(xiàn)出比大部分已報(bào)道輕質(zhì)高熵合金都要高的比硬度。Chauhan等[16]使用機(jī)械合金化的方法制備出了Al35Cr14Mg6Ti35V10輕質(zhì)高熵合金，該合金的密度為4.05 g/cm3，接近于鈦合金的密度。但是擁有比傳統(tǒng)鈦合金更高的硬度460 HV。Zhou等[17]研究制備了AlCoCrFeNiTix(x=0、0.5、1、1.5)高熵合金，該合金主要由BCC相組成，且擁有優(yōu)異的室溫壓縮性能。尤其是AlCoCrFeNiTi0.5合金，其屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、塑性應(yīng)變分別為2.26 GPa、3.14 GPa和23.3%，力學(xué)性能超過(guò)了大多數(shù)合金。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，隨著Al元素含量的增加，合金中形成BCC相的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致合金的強(qiáng)度增加，塑性降低[18]。因此Liu等[19]去除了合金中相對(duì)較貴的Co元素，降低了Ti的含量，制備出了AlxCrFeNiTi0.25輕質(zhì)高熵合金。結(jié)果表明，隨著Al含量的增加，合金由FCC+BCC相轉(zhuǎn)變成雙BCC相結(jié)構(gòu)，且所有的合金都表現(xiàn)出極好的加工硬化性能，尤其是Al0.5CrFeNiTi0.25合金具有較高的斷裂強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和塑性應(yīng)變，分別為3.47 GPa、1.88 GPa和40%。Huang等[20]設(shè)計(jì)制備出了AlCrTiV輕質(zhì)高熵合金，并向其中添加了少量的B、C、Si，以研究微合金化對(duì)合金性能的影響。結(jié)果表明，所有合金的密度都接近4.5 g/cm3，且(AlCrTiV)95B5表現(xiàn)出了較高的硬度710 HV。Maulik等[21]研究了Mg含量對(duì)AlFeCuCr高熵合金性能和微觀組織的影響，其中AlFeCuCrMg0.5合金具有高的硬度853 HV，隨著Mg含量的增加，合金的硬度也不斷降低。且AlFeCuCr合金在1000 ℃以下并無(wú)相變發(fā)生，而AlFeCuCrMg0.5、AlFeCuCrMg、AlFeCuCrMg1.7合金分別在818、885和483 ℃時(shí)發(fā)生了相變，表明隨著Mg含量的增加合金的熱穩(wěn)定性變差。

圖2 不同輕質(zhì)高熵合金的比硬度[20]Fig.2 Specific hardness of different light-weight high-entropy alloys[20]

1.2 含有一種或幾種難熔金屬元素Nb、Mo、Ta、W的輕質(zhì)高熵合金體系

由于制備輕質(zhì)高熵合金所用的元素皆為輕質(zhì)元素，元素的熔點(diǎn)較低導(dǎo)致其高溫性能并不好，無(wú)法滿足航空航天領(lǐng)域的需要。因此在難熔高熵合金的基礎(chǔ)上，著力研究低密度難熔高熵合金，即向輕質(zhì)高熵合金體系中加入一些難熔的金屬元素，如Nb、Mo、Ta、W等，制備出具有較好高溫性能，且密度較低的難熔高熵合金。Stepanov等[22]研究制備了一種新的輕質(zhì)高熵合金AlNbTiV，其密度為5.59 g/cm3，具有較高的硬度448 HV，并且在800 ℃下具有685 MPa的壓縮強(qiáng)度，具有良好的高溫性能。之后，Stepanov等[23]研究了Al含量對(duì)AlxNbTiVZr 合金微觀組織和性能的影響，合金的密度為6.49～5.55 g/cm3，硬度值為380～620 HV。AiNbTiVZr合金表現(xiàn)出高的壓縮屈服強(qiáng)度1320 MPa，但是隨著Al含量的增加壓縮強(qiáng)度不斷降低。在此基礎(chǔ)上，Stepanov等[24]繼續(xù)研究了Cr含量對(duì)AlCrxNbTiV輕質(zhì)高熵合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。合金的密度為5.59～5.90 g/cm3。隨著Cr含量的增加，合金的壓縮強(qiáng)度持續(xù)增加，但是塑性會(huì)隨之降低，且從室溫到800 ℃，隨著溫度的升高合金的壓縮強(qiáng)度不斷降低，但是塑性不斷增加。其中AlCr1.5NbTiV合金在800 ℃時(shí)的壓縮強(qiáng)度為970 MPa，表現(xiàn)出較高的高溫壓縮性能。隨后，Chen等[25]在AlNbTiV合金的基礎(chǔ)上用Zr元素替代了V元素，制備出AlNbTiZr輕質(zhì)高熵合金。其密度為5.85 g/cm3，研究結(jié)果表明，該合金具有比大多數(shù)高熵合金都要好的塑性。Huang等[26]研究了Ti元素對(duì)TixZrVNb合金微觀組織和力學(xué)性能的影響，其伸長(zhǎng)率隨著Ti含量的增加從3.5%增加到12.3%，密度為6.12 g/cm3，比屈服強(qiáng)度達(dá)到了180 MPa·cm3·g-1。另外，Menou等[27]研究制備了Al35Cr35Mn8Mo5Ti17輕質(zhì)高熵合金，其密度低于5.5 g/cm3，且具有高的硬度658 HV。Kang等[28]為提高輕質(zhì)高熵合金的中溫應(yīng)用，使用了難熔元素Cr、Mo、V制備了AlCrMoTi和AlCrMoTiV兩種輕質(zhì)高熵合金。這兩種合金都有比鈦合金更高的比強(qiáng)度，有望替代鈦合金作為中溫結(jié)構(gòu)材料使用。

1.3 含有Mg、Li等超低密度元素的輕質(zhì)高熵合金體系

為進(jìn)一步降低輕質(zhì)高熵合金的密度，使其密度低于傳統(tǒng)的鈦合金。有研究者使用Mg，Li等超低密度元素設(shè)計(jì)輕質(zhì)高熵合金。Youssef等[13]研究制備了Al20Li20Mg20Sc20Ti20輕質(zhì)高熵合金，其密度低至2.67 g/cm3，并且具有高的硬度499 HV，退火之后硬度亦不會(huì)降低。但是合金中所用的Li、Sc元素很昂貴，導(dǎo)致合金的制作成本相當(dāng)高，無(wú)法大規(guī)模使用。因此Yang等[29]研究制備了AlLiMgZnSn、AlLi0.5MgZn0.5Sn0.2、AlLi0.5MgZn0.5Cu0.2、AlLi0.5MgCu0.5Sn0.24種輕質(zhì)高熵合金，以及Al含量很高的Al80Li5Mg5Zn5Sn5、Al80Li5Mg5Zn5Cu5兩種輕質(zhì)高熵合金。這6種輕質(zhì)高熵合金的密度分布于2.87～3.88 g/cm3，全部低于傳統(tǒng)的鈦合金，且AlLiMgZnSn表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度600 MPa，富Al的Al80Li5Mg5Zn5Sn5和Al80Li5Mg5Zn5Cu5合金表現(xiàn)出高的斷裂應(yīng)變，分別為16%，17%。另外，Du等[30]研究制備了AlLiMgCuCa輕質(zhì)高熵合金，其密度低至2.2 g/cm3，且具有高的室溫壓縮斷裂強(qiáng)度910 MPa。Li等[31]研究了Mg含量對(duì)AlMgxCuMnZn合金的影響，該系列合金密度為2.20～4.29 g/cm3，隨著Mg含量的增加，合金的硬度值從429 HV降低到了178 HV，室溫壓縮強(qiáng)度從500 MPa降低到400 MPa。這主要是由于當(dāng)鎂含量高時(shí)，固溶強(qiáng)化的作用會(huì)減小。

表1系統(tǒng)總結(jié)了上述3類輕質(zhì)高熵合金的合金成分、密度、制備方法、組織特征及力學(xué)性能等[13-17,19-36]。

表1 輕質(zhì)高熵合金的相結(jié)構(gòu)、制備方法、密度及力學(xué)性能

2 輕質(zhì)高熵合金的制備方法

2.1 熔鑄法

現(xiàn)在大多數(shù)高熵合金主要采用熔鑄法進(jìn)行制備[38]。對(duì)于輕質(zhì)高熵合金來(lái)說(shuō)，熔鑄法依舊適用。與其它制備合金的方法相比，通過(guò)熔鑄法制備合金具有熔煉時(shí)間短、成本低、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。熔鑄法可以分為真空電弧熔煉和真空感應(yīng)熔煉，但目前關(guān)于輕質(zhì)高熵合金的制備使用最多的是真空電弧熔煉。真空電弧熔煉是在氬氣氣氛保護(hù)下，利用鎢極在銅坩堝中進(jìn)行短時(shí)高溫熔煉，其熔煉溫度可以達(dá)到3000 ℃，能夠達(dá)到所有常用的用于設(shè)計(jì)輕質(zhì)高熵合金元素的熔點(diǎn)。然而，對(duì)于含有低熔點(diǎn)元素的輕質(zhì)高熵合金則不適用，因?yàn)檩^高的溫度可能會(huì)使該組分在熔煉的過(guò)程中蒸發(fā)而損耗，使得熔煉得到的合金成分不準(zhǔn)確。在這種情況下，則可以采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備含有熔點(diǎn)較低元素的輕質(zhì)高熵合金，即利用電磁感應(yīng)在金屬樣品中產(chǎn)生渦流的方法對(duì)金屬進(jìn)行熔煉。其優(yōu)點(diǎn)在于熔煉過(guò)程中可將合金中的一些雜質(zhì)元素，如：氫、氧、碳、氮等去除到較低水平，同時(shí)高溫熔煉也可使比基體蒸汽壓高的雜質(zhì)元素?fù)]發(fā)，因而提高合金的韌性、強(qiáng)度等綜合性能。利用真空感應(yīng)熔煉制備的合金表現(xiàn)出典型的樹(shù)枝晶和枝晶間的結(jié)構(gòu)特征，如圖3所示為使用真空感應(yīng)熔煉制備的輕質(zhì)高熵合金微觀結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)閷?duì)于熔鑄法來(lái)說(shuō)低的冷卻速率和元素的聚集會(huì)導(dǎo)致合金中產(chǎn)生典型的樹(shù)枝晶和枝晶間的結(jié)構(gòu)。

圖3 真空感應(yīng)熔煉法制備輕質(zhì)高熵合金SEM圖[29]Fig.3 SEM images of light-weight high-entropy alloys prepared by vacuum induction melting method[29](a) Al80Li5Mg5Zn5Sn5; (b) Al80Li5Mg5Zn5Cu5

2.2 機(jī)械合金化和燒結(jié)法

目前，對(duì)于已報(bào)道的輕質(zhì)高熵合金來(lái)說(shuō)有很少的一部分使用了機(jī)械合金化和燒結(jié)的方法進(jìn)行制備。由于輕質(zhì)元素之間的性質(zhì)差異較大，就導(dǎo)致了合金中各元素的熔點(diǎn)分布在一個(gè)較大的范圍內(nèi)。如：AlFeMgTiZn[39]輕質(zhì)高熵合金中，Mg的熔點(diǎn)為650 ℃，而Ti的熔點(diǎn)為1668 ℃。而機(jī)械合金化的方法是通過(guò)高能球磨的方式將合金粉末充分混合均勻，經(jīng)過(guò)燒結(jié)之后得到成分均勻的合金。由于球磨可以使合金粉末持續(xù)的變形、斷裂，顆粒間可以充分混合均勻。因此用這種方法制備的合金往往具有納米晶甚至非晶的結(jié)構(gòu)。Chauhan等[16]使用高能行星球磨的方法制備了Al35Cr14Mg6Ti35V10輕質(zhì)高熵合金，并且研究了球磨時(shí)間對(duì)合金結(jié)構(gòu)的影響。隨著球磨時(shí)間的增加，合金的組織逐漸由兩個(gè)BCC相和一個(gè)HCP相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)BCC相。另外，Youssef等[13]也使用行星球磨的方法制備合成了Al20Li20Mg10Sc20Ti30輕質(zhì)高熵合金。但是對(duì)于傳統(tǒng)的燒結(jié)方法而言，會(huì)出現(xiàn)輕質(zhì)高熵合金中一些元素已經(jīng)熔化而其它元素仍然保持固態(tài)的現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有研究者使用等離子火花燒結(jié)的方法進(jìn)行輕質(zhì)高熵合金的制備。等離子火花燒結(jié)是利用高達(dá)5000 A的脈沖電流同時(shí)施以100 MPa的壓力對(duì)石墨模具中的樣品進(jìn)行燒結(jié)，脈沖電流在極短的時(shí)間內(nèi)可在粉末粒子間形成火花等離子體，因此等離子火花燒結(jié)可以在幾分鐘內(nèi)完成，而不像其它的燒結(jié)方法需要幾小時(shí)才可以完成。

3 輕質(zhì)高熵合金的組元設(shè)計(jì)與相組成

3.1 組元設(shè)計(jì)

3.1.1 熱力學(xué)判據(jù)

根據(jù)Hume-Rothery規(guī)則可知，合金中固溶體的形成與晶體結(jié)構(gòu)、原子半徑差及電負(fù)性差Δχ等均有關(guān)，因此一些研究者提出了一些熱力學(xué)判據(jù)，并以此預(yù)測(cè)輕質(zhì)高熵合金的相組成，從而指導(dǎo)輕質(zhì)高熵合金的組元設(shè)計(jì)。輕質(zhì)高熵合金的混合焓ΔHmix、混合熵ΔSmix、原子半徑差δ可以由式(1)～式(4)算出：

(1)

(2)

(3)

(4)

Zhang等[41]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)-15 kJ/mol<ΔHmix<5 kJ/mol，δ<5%時(shí)會(huì)形成簡(jiǎn)單固溶體相。同樣的，Guo等[42]發(fā)現(xiàn)，高熵合金的相形成與參數(shù)ΔHmix、ΔSmix和δ都有關(guān)，并研究得出當(dāng)11 J/(K·mol)≤ΔSmix≤19.5 J/(K·mol)、-11.6 kJ/mol≤ΔHmix≤3.2 kJ/mol、δ≤6.6%時(shí)會(huì)形成簡(jiǎn)單的固溶體相。Zhang等[43]提出了一個(gè)新的判定標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)ΔSmix>13.38 J/(K·mol)、-10 kJ/mol<ΔHmix<5 kJ/mol、δ<4%時(shí)會(huì)形成簡(jiǎn)單固溶體相。

之后有學(xué)者提出了另一個(gè)熱力學(xué)參數(shù)(Ω)來(lái)預(yù)測(cè)固溶體相的形成。Ω的值可以由式(5)來(lái)進(jìn)行計(jì)算[44-45]：

(5)

式中：ΔSmix和ΔHmix分別為混合熵和混合焓的值；Tm為合金的理論熔點(diǎn)。多主元合金的理論熔點(diǎn)可以用式(6)進(jìn)行計(jì)算。

(6)

當(dāng)Ω>1時(shí)，TmΔSmix的值會(huì)超過(guò)ΔHmix的值，此時(shí)熵值占主導(dǎo)，HEAs會(huì)形成固溶體相；當(dāng)Ω<1時(shí)，此時(shí)混合焓值占主導(dǎo)地位，就會(huì)導(dǎo)致HEAs中形成金屬間化合物。

電負(fù)性對(duì)HEAs中相形成也有著重要的影響。根據(jù)Hume-Rothery規(guī)則，電負(fù)性表征的是原子對(duì)電荷的吸引能力的大小。溶質(zhì)元素的電負(fù)性越高，越傾向于形成金屬間化合物。合金的電負(fù)性差(ΔX)可以用式(7)和式(8)進(jìn)行計(jì)算：

(7)

(8)

式中，Xi為i元素的電負(fù)性值。

Dong等[46]研究了電負(fù)性對(duì)HEAs相結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ΔX>0.133時(shí)，HEAs中會(huì)形成穩(wěn)定的拓?fù)涿芏严嘟Y(jié)構(gòu)。Leong等[47]研究發(fā)現(xiàn)，Allen電負(fù)性比Pauling電負(fù)性能更好地預(yù)測(cè)HEAs中相結(jié)構(gòu)的形成。

Ye等[48]提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的熱力學(xué)參數(shù)φ，考慮了由于原子密集堆積和原子尺寸錯(cuò)配導(dǎo)致的混合焓和混合熵，其值可用式(9)～式(11)計(jì)算得出：

(9)

Sc=ΔSmix

(10)

(11)

式中：ΔSmix為混合熵；ΔHmix為混合焓；Tm為合金的熔點(diǎn)；SE為過(guò)量的混合熵；Sc=ΔSmix為混合熵；SH為通過(guò)混合焓導(dǎo)出的互補(bǔ)熵。通過(guò)研究得出，當(dāng)φ≥20時(shí)高熵合金傾向于形成單相固溶體。而當(dāng)φ≤20時(shí)，高熵合金會(huì)形成多相結(jié)構(gòu)[48]。事實(shí)上，固溶體相和金屬間化合物的形成取決于兩者之間的吉布斯自由能。因此King等[49]提出了一個(gè)新的參數(shù)Φ用來(lái)比較兩相之間的吉布斯自由能。參數(shù)Φ的值可以用式(12)進(jìn)行計(jì)算。

(12)

3.1.2 CALPHAD相圖模擬計(jì)算

使用傳統(tǒng)判據(jù)的方法進(jìn)行輕質(zhì)高熵合金的相結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，對(duì)于一些輕質(zhì)高熵合金來(lái)說(shuō)仍舊不是十分準(zhǔn)確。如Al0.5NbTiVZr合金滿足形成單相結(jié)構(gòu)的混合焓和原子半徑差δ的判據(jù)，卻具有BCC+Laves+Zr2Al的多相結(jié)構(gòu)[23]。而AlNbTiV合金不滿足形成單相結(jié)構(gòu)的混合焓和原子半徑差δ的判據(jù)，卻具有簡(jiǎn)單BCC相的結(jié)構(gòu)[22]。因此有研究者開(kāi)始使用CALPHAD相圖模擬計(jì)算的方法進(jìn)行組元的設(shè)計(jì)。這種方法通過(guò)模擬得出合金中各相Gibbs自由能與溫度和成分的函數(shù)，從而可以得出Gibbs自由能最低時(shí)的穩(wěn)態(tài)組織。因此CALPHAD相圖模擬是進(jìn)行多元系統(tǒng)相組成預(yù)測(cè)的理想工具。如Yao等[50]使用Thermo Calc相圖計(jì)算軟件并使用TCNI7數(shù)據(jù)庫(kù)模擬了NbTaTiV、NbTaVW高熵合金的相圖，模擬結(jié)果與試驗(yàn)所得結(jié)果相吻合。Senkov等[34]模擬計(jì)算出CrNbTiZr高熵合金的相圖，且從相圖中可以看出其主相為富Nb的BCC相。當(dāng)溫度低于680 ℃時(shí)，會(huì)形成富Ti和富Nb的BCC相。并且在溫度低于1348 ℃時(shí)會(huì)形成C15 Laves相。目前由于高熵合金的成分組合有很多，但是性能優(yōu)異的成分卻很少，利用傳統(tǒng)的試錯(cuò)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，效率低、成本高。因此學(xué)者也開(kāi)始使用高通量的方法進(jìn)行合金設(shè)計(jì)和成分篩選[51-52]。但是這種方法目前尚存在一些問(wèn)題，如由于其整個(gè)計(jì)算模擬是在熱力學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，合金中一些亞穩(wěn)相、微觀結(jié)構(gòu)和過(guò)渡相無(wú)法得出[53]。因此有待于進(jìn)一步的研究。

3.2 相組成

輕質(zhì)高熵合金所使用的元素在原子半徑、價(jià)電子濃度、熔點(diǎn)和晶體結(jié)構(gòu)等方面有很大的差異，如表2所示。這也就導(dǎo)致輕質(zhì)高熵合金不易于形成單一的固溶體相，而容易形成多相的結(jié)構(gòu)。

目前已報(bào)道的大部分輕質(zhì)高熵合金都具有雙相和多相的結(jié)構(gòu)。如AlxNbTiVZr輕質(zhì)高熵合金具有BCC相和Laves(C14)相的雙相結(jié)構(gòu)。且隨著Al含量的增加，會(huì)形成Zr2Al相，導(dǎo)致BCC相減少。使得Laves(C14)相更加的穩(wěn)定[23]。Tseng等[15]研究制備出的Al20Be20Fe10Si15Ti35合金具有兩個(gè)六方相，為Fe2Ti和Si3Ti5，還有一個(gè)未知相。Kanyane等[36]使用機(jī)械合金化的方法制備了Ti0.3AlMoSi0.3W0.1輕質(zhì)高熵合金，其具有復(fù)雜的多相結(jié)構(gòu)，包括BCC、TiSi2、Mo2Si4、WSi2。但是也有一些輕質(zhì)高熵合金是具有單相的BCC相和FCC相的結(jié)構(gòu)。如Stepanov等[22]制備合成的AlNbTiV輕質(zhì)高熵合金，其具有單一的BCC相結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。Youssef等[13]用機(jī)械合金化的方法制備了兩個(gè)Al20Li20Mg10Sc20Ti30輕質(zhì)高熵合金，不同的是其中一個(gè)不含有N、O，而另一個(gè)則含有N、O。對(duì)于沒(méi)有被N、O元素污染的Al20Li20Mg10Sc20Ti30合金，其具有單一的FCC相結(jié)構(gòu)，并且在500 ℃退火后會(huì)轉(zhuǎn)變成HCP相結(jié)構(gòu)，而含有N、O元素的Al20Li20Mg10Sc20Ti30合金也表現(xiàn)為單一的FCC相結(jié)構(gòu)，且在500 ℃退火后相結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生改變。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

輕質(zhì)高熵合金在高熵效應(yīng)、緩慢擴(kuò)散效應(yīng)、“雞尾酒”效應(yīng)和晶格畸變效應(yīng)的共同作用下，相較于傳統(tǒng)的合金具有更好的綜合性能，以及較低的密度，有望成為新一代輕質(zhì)功能結(jié)構(gòu)材料。然而對(duì)于輕質(zhì)高熵合金來(lái)說(shuō)，目前主要存在著以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1) 對(duì)于大多數(shù)輕質(zhì)高熵合金來(lái)說(shuō)，普遍存在室溫脆性的問(wèn)題，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用，這也是未來(lái)亟需解決的一個(gè)問(wèn)題。目前主要通過(guò)向合金中添加塑性元素、強(qiáng)化FCC相輕質(zhì)高熵合金以及調(diào)制FCC/BCC共晶結(jié)構(gòu)的方法來(lái)提高輕質(zhì)高熵合金的塑性。

2) 關(guān)于輕質(zhì)高熵合金的制備，鑄態(tài)下合金的內(nèi)應(yīng)力較大，并存在成分偏析、冷裂和縮孔等問(wèn)題，從而影響合金的性能?？梢酝ㄟ^(guò)熱處理的方式減少這些鑄造缺陷的影響。

3) 輕質(zhì)高熵合金的組元設(shè)計(jì)目前主要是用熱力學(xué)判據(jù)的方法以及CALPHAD相圖模擬計(jì)算，但是這兩種方法適用范圍有限。有些組分的輕質(zhì)高熵合金的相結(jié)構(gòu)也無(wú)法被準(zhǔn)確預(yù)測(cè)?？煽康慕M元設(shè)計(jì)方法可以降低研發(fā)成本、提高效率，從而能夠加快輕質(zhì)高熵合金的發(fā)展。因此研究更可靠的輕質(zhì)高熵合金組元設(shè)計(jì)方法也是后續(xù)的一個(gè)研究方向。