含鎂輕質(zhì)高熵合金的研究進(jìn)展

侯成浩,周楠,劉貞陽(yáng),張志波,黎小輝,張靜,鄭開(kāi)宏

（1.廣東省科學(xué)院新材料研究所/廣東省金屬?gòu)?qiáng)韌化技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東 佛山 528200）

鎂元素是地球上儲(chǔ)量最豐富的的元素之一，也是目前最輕的的結(jié)構(gòu)金屬材料。鎂合金具有較低的密度，較高的比強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，是目前已應(yīng)用的最輕結(jié)構(gòu)材料。因此，鎂合金可以在不降低零件強(qiáng)度的情況下減輕零件的重量，在交通、航天等輕量化需求領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，當(dāng)鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料時(shí)，其很多性能尚無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求，例如剛度、耐磨性、耐腐蝕性等。在高溫條件下，鎂合金抗蠕變性差、強(qiáng)度也偏低，同時(shí)鎂合金的塑性加工能力有限，這些缺點(diǎn)極大地限制了鎂合金在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用［1-2］。

2004年，Yeh等［3］提出高熵合金的概念以來(lái)，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始了對(duì)高熵合金的研究。高熵合金的高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨等優(yōu)良性能是傳統(tǒng)合金無(wú)法相比的［4］，其不同于常規(guī)的由2種或3種物質(zhì)再添加一些微量元素而組成的合金，往往是由5種或5種以上等物質(zhì)的量比或近等物質(zhì)的量比的金屬混合而形成的合金［5］。同時(shí)，其具有熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)、結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)上的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)和性能上的雞尾酒效應(yīng)［6］，更易獲得熱穩(wěn)定性高的固溶體相、納米結(jié)構(gòu)甚至非晶結(jié)構(gòu)［7］，獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念為鎂合金強(qiáng)度和塑性的綜合提升提供了有效的借鑒。采用鎂等低密度組元可顯著降低高熵合金的密度，同時(shí)又兼具高熵合金的優(yōu)異性能，如Youssef等［8］制備了密度僅有2.67 g·cm-3，但硬度可達(dá)5.9 GPa的Al20Li20Mg10Sc20Ti30高熵合金。更多性能優(yōu)異的含鎂輕質(zhì)高熵合金的制備，證明了在高熵合金中添加鎂是可行的。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)并發(fā)展含鎂輕質(zhì)高熵合金，對(duì)拓展鎂的應(yīng)用具有十分重要的意義?？偨Y(jié)了含鎂的輕質(zhì)高熵合金的組元設(shè)計(jì)、制備方法、微觀(guān)結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。

1 輕質(zhì)高熵合金的組元設(shè)計(jì)

1.1 基于材料科學(xué)的設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)研究具有良好性能的新材料，最基本方法就是利用材料學(xué)原理［9］。這種方法需要了解元素的特征，如晶體結(jié)構(gòu)、熔點(diǎn)、原子尺寸、密度、價(jià)電子、電負(fù)性、彈性常數(shù)、不同原子對(duì)中的相互作用、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、微觀(guān)結(jié)構(gòu)及高熵合金的四個(gè)核心效應(yīng)［10］。目前，常見(jiàn)的高熵合金組元成分的選取及設(shè)計(jì)的判斷依據(jù)，主要包括熵焓比、原子半徑差（δ）、電負(fù)性差（Δχ）和價(jià)電子濃度（VEC）。通常情況下，為了使合金形成固溶體，常選擇電負(fù)性相近、混合熵高的合金元素，常見(jiàn)的高熵合金組成元素以Mg、Al、Zn、Ti、Cr、Ca、Fe、Mn、Co、Ni和Cu等金屬元素為主，有時(shí)會(huì)輔以添加Gd、Y和Sc等稀土元素。利用各元素不同的特征，充分發(fā)揮高熵合金的四大效應(yīng)，可以使合金具備所需的優(yōu)良性能。楊瀟等［11］提出了最大原子半徑差δ<12%、合金混合焓ΔHmix在-40—10 kJ·mol-1范圍的Hume-Rothery原則，這為設(shè)計(jì)易于形成固溶體相的高熵合金提供了參考。隨著研究的進(jìn)展，部分學(xué)者通過(guò)計(jì)算已報(bào)道的多組元合金的熵焓比和原子半徑差δ等參數(shù)，總結(jié)出了當(dāng)高熵合金的熵焓比≥1.1、原子半徑差δ≤6.6%時(shí)，合金易于形成穩(wěn)定的固溶體［12］。張勇等［13］統(tǒng)計(jì)了已報(bào)道的高熵合金中熵焓比和原子半徑差δ的范圍發(fā)現(xiàn)：若原子半徑差δ>4%，合金的組織形式為固溶體相和金屬間化合物；若原子半徑差δ<4%，合金的組織相大部分為固溶體相。另外，周中華等［14］統(tǒng)計(jì)了混合焓ΔHmix和混合熵ΔSmix對(duì)合金固溶體相的影響規(guī)律，即混合焓ΔHmix在-22—7 kJ·mo1-1、混合熵ΔSmix在11—19.5 J·K·mo1-1時(shí)合金易于形成固溶體相。Guo等［15］系統(tǒng)研究了高熵合金的組成元素與合金相穩(wěn)定性及熱力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)價(jià)電子濃度VEC是保證合金相穩(wěn)定性的最關(guān)鍵因素之一，即當(dāng)VEC<6.87時(shí)BCC固溶相可以穩(wěn)定存在，當(dāng)VEC≥8時(shí)合金FCC相可以穩(wěn)定存在。Yang等［16］研究了由Al、Mg、Li、Zn主要元素組成的輕質(zhì)高熵合金相形成規(guī)則后發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的高熵合金設(shè)計(jì)策略并不適用于含鎂等元素的輕質(zhì)高熵合金，而含鎂等元素的輕質(zhì)高熵合金固溶相形成規(guī)律是在常規(guī)高熵合金的相形成規(guī)則基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改，修改后的參數(shù)預(yù)測(cè)值為混合焓ΔHmix在-1—5 kJ·mol-1、原子半徑差δ<4.5%、熵焓比Ω>10，在此條件下合金易于形成固溶體相。

1.2 基于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的設(shè)計(jì)方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的更新迭代與高通量的材料設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的設(shè)計(jì)方法在輕質(zhì)高熵合金成分設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)方法在基于經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上以試錯(cuò)法為主，其研究成本更高、研發(fā)周期更長(zhǎng)，同時(shí)高熵合金成分的多樣性大大增加了試錯(cuò)的成本，較大程度的限制了新材料的研發(fā)速度。與傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)方法相比，采用適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型進(jìn)行輕質(zhì)高熵合金的成分設(shè)計(jì)，不僅能夠縮短研發(fā)周期、降低研究成本，而且能從微觀(guān)結(jié)構(gòu)上反映合金中原子分布的特征。目前，常見(jiàn)的輕質(zhì)高熵合金的建模理論與方法包括EMTO-CPA理論［17］、多元團(tuán)簇展開(kāi)（Multi-cluster expansion）［18］方法和特殊準(zhǔn)隨機(jī)結(jié)構(gòu)理論（SQS）［19］。

20世 紀(jì)90年 代，Kumar等［20］提 出 了EMTO（Exact Muffin-tin Orbitals）方法，旨在提高求解Kohn-Sham方程的效率。2007年，Vitos［21］建立了一種新的EMTO方法—EMTO-CPA，即基于EMTO框架結(jié)合相干勢(shì)近似算法，對(duì)多組元合金進(jìn)行建模。熊青云等［22］使用EMTO-CPA方法對(duì)VTiTaNbAlx高熵合金的平衡體性質(zhì)、多晶彈性模量等參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，此系列高熵合金符合單相高熵合金的理論判據(jù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了VTiTaNbAlx高熵合金的單相固溶體結(jié)構(gòu)。多元團(tuán)簇展開(kāi)（Multicluster expansion）［18］方法是利用第一性原理計(jì)算一系列母晶格結(jié)構(gòu)的能量，然后用計(jì)算的能量對(duì)有效團(tuán)簇相互作用因子進(jìn)行擬合，從而獲得完整體系成分范圍內(nèi)的熱力學(xué)性質(zhì)。

特殊準(zhǔn)隨機(jī)結(jié)構(gòu)（SQS）是一種基于關(guān)聯(lián)函數(shù)構(gòu)建與合金無(wú)序結(jié)構(gòu)相近的有序結(jié)構(gòu)，從而準(zhǔn)確反映合金原子隨機(jī)排布的結(jié)構(gòu)模型。Zunger等［23］通過(guò)構(gòu)建僅含有2—16個(gè)原子的元胞模擬近鄰分布原子的徑向相互作用設(shè)計(jì)了一種SQS模型，在理論上實(shí)現(xiàn)了二元置換式無(wú)序合金A1-xBx性質(zhì)的計(jì)算，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證明了模型的有效性。構(gòu)建SQS模型方法，在固溶體合金的力學(xué)、光學(xué)、熱力學(xué)等利用第一性原理進(jìn)行計(jì)算的領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用［24-26］。王有成等［27］基于SQS理論，通過(guò)調(diào)整優(yōu)化模型參數(shù)建立了Mg0.2（BCDE）0.8的SQS，并設(shè)計(jì)了一些合金體系，如MgAlNdAgSi和MgAlAgErSn等。特殊準(zhǔn)隨機(jī)結(jié)構(gòu)理論是當(dāng)前設(shè)計(jì)輕質(zhì)高熵合金計(jì)算模型的主要理論之一，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)高熵合金的高通量設(shè)計(jì)與計(jì)算研究的重要途徑之一［27］。

2 含鎂輕質(zhì)高熵合金的制備方法

隨著輕質(zhì)高熵合金研究的發(fā)展，其制備方法也越來(lái)越豐富，常見(jiàn)的有熔煉法、機(jī)械合金化法、激光覆膜法、增材制造等。根據(jù)已報(bào)道的制備方法，含鎂輕質(zhì)高熵合金的制備方法以真空感應(yīng)熔煉和機(jī)械合金化法為主。

2.1 熔煉法制備含鎂輕質(zhì)高熵合金

真空電弧熔煉，是在真空環(huán)境下利用兩電級(jí)之間電弧產(chǎn)生的高溫使金屬熔化的方法。由于電弧產(chǎn)生的溫度一般可達(dá)5000 °C左右，因此常用來(lái)制備一些含有高熔點(diǎn)元素的高熵合金，而若采用真空電弧熔煉法制備含Mg、Zn等低熔點(diǎn)元素的合金時(shí)會(huì)有較大程度的燒損。馮波等［28］利用Mg、Fe、Cr、Co等元素，通過(guò)真空電弧熔煉法制備了多組含鎂輕質(zhì)高熵合金，形成的合金具有強(qiáng)度高、塑性好、密度低的特征，可廣泛用于交通、航空領(lǐng)域的設(shè)備中。

真空感應(yīng)熔煉是利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的高溫使金屬熔化的方法。電磁感應(yīng)產(chǎn)生的溫度相對(duì)較低且易于調(diào)控，適合用來(lái)制備含有低熔點(diǎn)、易揮發(fā)元素（如Mg、Zn等）的輕質(zhì)高熵合金。汪衛(wèi)華院士等［29］選用Ca、Mg、Li、Sr、Zn、Yb等低密度、低熔點(diǎn)的元素，利用真空感應(yīng)熔煉的方式制備了Zn20Ca20Sr20Yb20-（Li0.55Mg0.45）20［29］和Ca20Mg20Zn20Sr20Yb20［30］輕 質(zhì) 高 熵合金，這兩種合金均具有較高的比強(qiáng)度和較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。Li等［31］利用感應(yīng)熔煉的方法制備了Mgx（MnAlZnCu）100-x系輕質(zhì)高熵合金，研究發(fā)現(xiàn)Mg含量與合金的延展性成正相關(guān)的關(guān)系。此外，Jang等［32］制 備 的AlMgZnCuSi系 高 熵 合 金、Shao等［33］制備的AlLiMgZnCu系高熵合金、Yang等［16］制備的Mgx（MnAlZnCu）100-x系高熵合金及Li等［34］制備的MgMnAlZnCu系高熵合金，均是通過(guò)真空感應(yīng)熔煉法制備的。由此可見(jiàn)，真空感應(yīng)熔煉法不僅易于操作，而且易于控制活性元素的燒損［35］。因此，該法是目前制備含鎂輕質(zhì)高熵合金的主要方法。

2.2 機(jī)械合金化法制備含鎂輕質(zhì)高熵合金

機(jī)械合金化法，是一種將合金元素粉末與研磨介質(zhì)在球磨機(jī)中進(jìn)行高速球磨的粉末加工技術(shù)。在此過(guò)程中，不同粉末元素之間會(huì)發(fā)生原子擴(kuò)散，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)合金化［36］。Chen等［37］用機(jī)械合金化的方法制備了BeCoMgTi和BeCoMgTiZn合金，但這兩種合金形成的相都不確定。Youssef等［8］用機(jī)械合金化法制備了Al20Li20Mg10Sc20Ti30合金，該合金的比強(qiáng)度明顯高于其他納米晶合金，甚至與陶瓷相當(dāng)，并且退火后仍可保持較高的硬度。斯庭智等［38］利用機(jī)械合金化法制備了MgxTiAlFeNiCr（0.6

3 含鎂輕質(zhì)高熵合金的微觀(guān)結(jié)構(gòu)

含鎂輕質(zhì)高熵合金一般以單相固溶體結(jié)構(gòu)為主，少量具有多相結(jié)構(gòu)或非晶結(jié)構(gòu)。研究者通常采用金相顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、X射線(xiàn)衍射儀（XRD）等設(shè)備，對(duì)合金的組織形貌及相組成進(jìn)行研究分析，利用能譜分析（EDS）技術(shù)對(duì)合金微觀(guān)組織成分中元素的種類(lèi)和含量進(jìn)行分析，利用電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)對(duì)合金的晶粒尺寸、取向分布等進(jìn)行分析。

3.1 簡(jiǎn)單固溶體

由于高熵合金的高熵效應(yīng)增加了各主元間的相溶性，抑制了金屬間化合物的生成，因此含鎂輕質(zhì)高熵合金一般具有簡(jiǎn)單固溶體相結(jié)構(gòu)。Youssef等［8］制備的Al20Li20Mg10Sc20Ti30輕質(zhì)高熵合金為單相FCC結(jié)構(gòu)，退火后轉(zhuǎn)變?yōu)镠CP結(jié)構(gòu)，其XRD圖譜如圖1所示。

圖1 Al20Li20Mg10Sc20Ti30輕質(zhì)高熵合金的XRD圖譜［8］Figure 1 XRD pattern of Al20Li20Mg10Sc20Ti30 lightweight high entropy alloy

還有一些輕質(zhì)高熵合金會(huì)形成雙相固溶體結(jié)構(gòu)，如Maulik等［39］研究了鎂含量對(duì)AlFeCuCrMgx（x=0、0.5、1、1.7 mol）系輕質(zhì)高熵合金物相的影響，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)x=0、0.5時(shí)，該系列合金的物相為BCC相為主，F(xiàn)CC相為輔；當(dāng)鎂含量繼續(xù)增加時(shí)，合金中出現(xiàn)了兩種BCC相，即BCC1和BCC2，該系列合金的詳細(xì)XRD分析如圖2所示。

圖2 AlMgxFeCuCr系輕質(zhì)高熵合金的反褶積XRD圖譜［39］Figure 2 XRD pattern of the inverse fold product of the AlMgxFeCuCr system of light，high entropy alloys

Jia等［40］制備了AlLiMgCaSi一系列的含鎂輕質(zhì)高熵合金，其微觀(guān)結(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖3可見(jiàn)，Al19.9Li30Mg35Ca10Si5Y0.1合金的相結(jié)構(gòu)主要包含LiMgAl2相和CaMgSi相，Al15Li35Mg35Si5Ca10合金的相結(jié)構(gòu)主要包含HCP固溶體相和CaMgSi相，Al15Li38Mg35Ca0.5Si1.5合金的相結(jié)構(gòu)主要包含BCC固 溶 體 相（β-Mg）和HCP固 溶 體 相（α-Mg），Al15Li39Mg35Ca0.5Si0.5合金的相結(jié)構(gòu)主要包含BCC固溶體相和Li2MgAl相。斯庭智等［38］研究了Mg含量對(duì)MgxTiAlFeNiCr（0.6

圖3 AlLiMgCaSi系列的含鎂輕質(zhì)高熵合金的背散射電子顯微組織［40］Figure 3 Backscattered electron microstructure of a light，high entropy alloy containing Mg from the AlLiMgCaSi series

3.2 多相復(fù)雜結(jié)構(gòu)

Li等［31］研究了Mg含量的變化對(duì)Mgx（MnAl-ZnCu）100-x系輕質(zhì)高熵合金組織結(jié)構(gòu)的影響，表明Mg的含量與合金的相數(shù)量成正相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)Mg的含量增多后合金的相也逐漸增多，除HCP和Al-Mn相外還形成了α-Mg相和Mg7Zn3相。Shao等［33］設(shè)計(jì)制備了一系列含Zn、Cu、Si元素的Al-Mg系輕質(zhì)高熵合金，該系列合金的微觀(guān)結(jié)構(gòu)以α-Al相和金屬間化合物相為主，合金的SEM電子圖像如圖4所示。同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)，該系列合金的金屬間化合物相隨著Al含量的增加而逐漸減少，不同Al含量的合金XRD圖譜如圖5所示。

圖4 AlLiMgZnCu系高熵合金的SEM背散射電子圖像［33］Figure 4 SEM backscattering electron images of AlLiMgZnCu high-entropy alloys

圖5 AlLiMgZnCu系高熵合金的XRD圖譜［33］Figure 5 XRD patterns of AlLiMgZnCu high-entropy alloys

尹可心等［41］采用真空熔煉法制備的Al7Mg3.6Cu1.2Zn7Ti1.2高熵合金組織為典型的等軸晶，其物相以HCP相和FCC相為主，以及少量的另一種面心立方相（FCC2），其XRD圖譜如圖6所示。

圖6 Al7Mg3．6Cu1.2Zn7Ti1.2的XRD圖譜［41］Figure 6 XRD patterns of Al7Mg3．6Cu1.2Zn7Ti1.2

3.3 非晶結(jié)構(gòu)

含鎂輕質(zhì)高熵合金組成元素的原子尺寸差異大時(shí)，其組織會(huì)呈現(xiàn)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。Chen等［37］制備的BeCoMgTi和BeCoMgTiZn輕質(zhì)高熵合金組織結(jié)構(gòu)均為非晶態(tài)，這是由于兩種合金中的元素原子尺寸差異較大導(dǎo)致的。Zhao等［29］通過(guò)成分設(shè)計(jì)的方法制備了（Li0.55Mg0.45）20Zn20Ca20Sr20Yb20非晶輕質(zhì)高熵合金，該合金具有較高的比強(qiáng)度、較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（323 K）及超低的彈性模量，其鑄態(tài)及70%塑性變形后的XRD圖譜如圖7所示。

圖7 （Li0.55Mg0.45）20Zn20Ca20Sr20Yb20的鑄態(tài)和變形后的XRD圖譜［29］Figure 7 XRD patterns of（Li0.55Mg0.45）20Zn20Ca20Sr20-Yb20 in as-cast state and after deformation

總體來(lái)說(shuō)，目前大多數(shù)含鎂輕質(zhì)高熵合金的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，均以固溶體相和少量金屬間化合物的形式存在。表1總結(jié)了目前所報(bào)道的含鎂輕質(zhì)高熵合金的制備方法、密度及相結(jié)構(gòu)。

表1 含Mg輕質(zhì)高熵合金的制備方法、密度與相結(jié)構(gòu)Table 1 Preparation method，density，phase structure of lightweight high-entropy alloy

4 含鎂輕質(zhì)高熵合金的性能

輕質(zhì)高熵合金的優(yōu)異性能引起了學(xué)者們的關(guān)注，但是對(duì)含鎂輕質(zhì)高熵合金的性能的研究主要集中在合金的壓縮力學(xué)性能和抗腐蝕性能方面，而對(duì)于摩擦磨損性能、高溫蠕變性能及高溫氧化性能等的研究相對(duì)較少。

4.1 力學(xué)性能

傳統(tǒng)鎂 合金，如AZ31、AZ91、AZ80等的 抗拉強(qiáng)度在250—350 MPa范圍內(nèi)，屈服強(qiáng)度在160—250 MPa之間，并且塑性較差，在某些領(lǐng)域已不能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求。相比于傳統(tǒng)的鎂合金，含鎂輕質(zhì)高熵合金具有更優(yōu)異的力學(xué)性能，固溶強(qiáng)化效應(yīng)是含鎂輕質(zhì)高熵合金力學(xué)性能提升的主要原因，即多主元成分配比造成的晶格畸變阻礙了位錯(cuò)滑移，從而增加了位錯(cuò)密度。另外，高熵合金中的組元在擴(kuò)散過(guò)程中，會(huì)抑制新相的形成，析出的納米相也能提高合金的強(qiáng)度。

Jia等［40］利用感應(yīng)熔煉法制備了包含Al、Li、Mg、Ca、Si等元素的輕質(zhì)高熵合金，該系列合金的密度范圍為1.46—1.7 g·cm-3。通過(guò)對(duì)合金的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該系列合金具有較高的比強(qiáng)度和良好塑性及較低的楊氏模量，其中Al19.9Li30Mg35Si10Ca5Y0.1合金的斷裂強(qiáng)度可以達(dá)到710 MPa、屈服強(qiáng)度可以達(dá)到556 MPa、比強(qiáng)度高達(dá)327 kPa·m-3（見(jiàn)圖8）。

圖8 AlLiMgCaSi系列輕質(zhì)高熵合金的力學(xué)性能［40］Figure 8 Mechanical properties of the AlLiMgCaSi series of lightweight high-entropy alloys

固溶體相的體積分?jǐn)?shù)與合金的壓縮塑性成正相關(guān)，說(shuō)明固溶體有助于提升合金的塑性變形能力。Li等［31］研究了Mg含量對(duì)Mgx（MnAlZnCu）100-x系合金的微觀(guān)組織和力學(xué)性能的影響，當(dāng)合金中的鎂含量增加時(shí)，合金的延展性也隨之增加，在室溫下合金的抗壓強(qiáng)度為400—500 MPa、硬度為429—178 HV（見(jiàn)圖9）。

圖9 合金硬度與鎂元素含量的關(guān)系曲線(xiàn)［31］Figure 9 Relationship between alloy hardness and magnesium content

尹可心等［41］通過(guò)真空熔煉法制備了Al7Mg3.6Cu1.2-Zn7Ti1.2高熵合金合金并對(duì)其進(jìn)行壓縮力學(xué)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該合金的抗壓強(qiáng)度高達(dá)572.89 MPa，其應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖10，但是該合金的脆性較大，這可能與合金的第二相較多有關(guān)。

圖10 Al7Mg3.6Cu1.2Zn7Ti1.2的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系［41］Figure 10 Relationship between stress and strain of Al7Mg3.6Cu1.2Zn7Ti1.2

通過(guò)直接添加或者原位合成硬質(zhì)顆粒的激光熔覆法制備的高熵合金復(fù)合涂層，往往具有超高的硬度和強(qiáng)度［42］。表2列出了輕質(zhì)高熵合金及常見(jiàn)鎂合金的力學(xué)性能。

表2 輕質(zhì)高熵合金及常見(jiàn)鎂合金的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of lightweight high entropy alloys and common magnesium alloys

4.2 耐腐蝕性能

高熵合金的高熵效應(yīng)容易減少相分離和元素偏析，有利于在合金表面形成均勻的薄膜，從而提高合金的鈍化能力和抗腐蝕能力。戴義等［45］通過(guò)對(duì)電腐蝕電位的比較，研究Ni含量的變化對(duì)AlMgZnSnCuMnNix耐腐蝕行為的影響。結(jié)果表明，合金的自腐蝕電位與鎳含量的變化成正相關(guān)，自腐蝕電流密度與鎳含量的變化成負(fù)相關(guān)（見(jiàn)表3）。

表3 AlMgZnSnCuMnNix合金自腐蝕電位與自腐蝕密度［45］Table 3 Self-corrosion potential and self-corrosion density of AlMgZnSnCuMnNix alloy

謝紅波等［46］研究了AlFeCrCoCuZrx（x=0、0.5、1）高熵合金在3.5%的NaCl溶液中的電化學(xué)性能，結(jié)果表明該系列合金比304不銹鋼的耐蝕性能更優(yōu)異，但是添加Zr元素后合金的耐蝕性有所下降，原因是該系列合金中原子半徑差異較大引起了晶格畸變，最終導(dǎo)致了合金中位錯(cuò)與偏析的出現(xiàn)。李偉等［47］研究了在0.5 mol·L-1的H2SO4溶液和1 mol·L-1的NaCl溶液中Ti含量的變化對(duì)AlFeCuCoNiCrTix合金的耐腐蝕性能的影響，結(jié)果表明該系列合金在H2SO4溶液中的耐腐蝕性能比304不銹鋼更優(yōu)異，在NaCl溶液中合金的耐腐蝕性并沒(méi)有明顯的提高而抗孔蝕能力有所提高，當(dāng)x=0.5時(shí)合金的抗孔蝕能力最優(yōu)。斯庭智等［38］研究了Mg含量對(duì)MgxTiAlFeNiCr（0.6

5 展望

高熵合金具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕性和耐高溫氧化性等優(yōu)異性能，對(duì)輕質(zhì)高熵合金尤其是含鎂輕質(zhì)高熵合金的研究，尚在起步階段還沒(méi)有形成一個(gè)較為系統(tǒng)、科學(xué)的理論體系。

（1）在材料設(shè)計(jì)方面，將第一性原理計(jì)算與特殊準(zhǔn)隨機(jī)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)高熵合金的形成焓的理論計(jì)算，對(duì)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，將在很大程度上節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間和資源。

（2）目前，含鎂輕質(zhì)高熵合金的研究主要集中在鑄造后合金的組織與性能，而對(duì)合金經(jīng)過(guò)擠壓、軋制等變形后的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和性能研究較少。下一步，可將適用于傳統(tǒng)合金材料的不同熱處理工藝制備含鎂輕質(zhì)高熵合金，以改善其微觀(guān)結(jié)構(gòu)，提高合金的性能。

（3）含鎂輕質(zhì)高熵合金普遍硬度和壓縮強(qiáng)度較高，但是塑性較差。因此，通過(guò)添加合金元素及采用適當(dāng)?shù)募庸し椒ㄟM(jìn)行塑性變形，研究其塑化與協(xié)調(diào)變形的機(jī)理與機(jī)制，將能夠進(jìn)一步拓展含鎂輕質(zhì)高熵合金的應(yīng)用領(lǐng)域。