力學性能

高熵合金的硬度與其主元元素種類、原子半徑及含量密切相關(guān)。目前已報道輕質(zhì)高熵合金的硬度因體系不同相差很大。STEPANOV等[43-44]通過研究Cr、Al元素對輕質(zhì)高熵合金AlCrxNbTiV和Al xNbTiVZr體系力學性能的影響發(fā)現(xiàn)，隨著Cr、Al元素含量的增加，合金的硬度隨之增高。分析認為是由于Cr、Al元素對輕質(zhì)高熵合金AlCrxNbTiV和Al xNbTiVZr體系力學性能的影響，隨著Cr、Al元素含量的增加，合金的硬度隨之增高。分析認為是由于Cr、Al含量的增加使得Laves相增多，從而提高了合金硬度。LI等[29]研究發(fā)現(xiàn)，隨著Mg元素的增加，Mgx（MnAlZnCu）100-x（x=20、33、43、45.6、50）系輕質(zhì)高熵合金的硬度反而減小，由431HV0.2降到178HV0.2,并指出這是由于合金固溶強化作用減弱所致。在輕質(zhì)高熵合金體系中加入微量元素也會增加其硬度。史鵬飛[45]在AlTiNiMn中加入B元素，發(fā)現(xiàn)該體系晶格畸變加劇，固溶強化效果增強，合金硬度有所提高，最高達到7 790MPa。HUANG等[22]在AlCrTiV中加入B、C、Si以引入第二相，從而提高了合金體系的硬度，在保證密度接近鈦合金的同時，硬度高達710HV0.2。此外，輕質(zhì)高熵合金的加工工藝和熱處理工藝也對其硬度有一定影響。張一村[46]發(fā)現(xiàn)，AlTiVZr0.2B0.2輕質(zhì)高熵合金的硬度隨燒結(jié)溫度的升高先增加后下降。1 100℃下制備的AlTiVZr0.2B0.2具有最高硬度809.7HV0.1,明顯高于TC4鈦合金的334.6HV0.1。HAMMOND等[47]發(fā)現(xiàn)，AlFeMgTiZn輕質(zhì)高熵合金粉末的硬度隨著退火溫度的升高先升高后降低，當退火溫度為600℃時，其硬度最高為8.1GPa,分析認為這種變化與元素的偏析有關(guān)。

目前，輕質(zhì)高熵合金通常用壓縮性能表征其強度、塑性等力學性能。影響輕質(zhì)高熵合金壓縮性能的因素主要有合金元素類型、應變速率、熱處理工藝等。添加合金元素除可引起晶格畸變、增加固溶強化效果外，還可與合金主元作用來改變晶體結(jié)構(gòu)，生成有序相，從而改變輕質(zhì)高熵合金的力學性能。陳永星等[48]發(fā)現(xiàn)在Al 0.5CoCu0.5NiSi輕質(zhì)高熵合金中加入微量V元素后，合金的相結(jié)構(gòu)保持不變，但晶格常數(shù)變大、晶格畸變效果加劇。加入V后的合金，抗壓強度比母合金提高了近270MPa。SHAO等[37]發(fā)現(xiàn)AlMgZnCuSi系輕質(zhì)高熵合金的強度及塑性隨著Al含量增加而有所改善。Al含量提高使得塑性較好的α-Al固溶相增多，金屬間化合物減少。當Al含量為85%時，AlMgZnCuSi系輕質(zhì)高熵合金的抗壓強度為814MPa;當為90%時，高熵合金的塑性應變極限為32.7%。由Hollomon公式可知，應變速率在一定程度上對合金的力學性能也會產(chǎn)生影響。TIAN等[49]研究了不同應變速率下，AlCoCrFeNi輕質(zhì)高熵合金的強度。結(jié)果表明，隨著應變速率的增大，不同溫度下，AlCoCrFeNi的強度隨之增加，如圖4所示。此外，改變熱處理工藝也可以改善輕質(zhì)高熵合金的力學性能。STEPANOV等[50]研究了退火處理對Al 0.5CrNbTi2V0.5輕質(zhì)高熵合金壓縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)退火處理后，Al 0.5CrNbTi2V0.5高熵合金的室溫壓縮屈服強度提高了近100MPa。此外，隨著退火溫度的升高，壓縮屈服強度逐步降低，韌性逐步提高。

可以看出，輕質(zhì)高熵合金具有較高硬度和強度，但塑性較差。因此，在保證高強度的同時，提高塑性能力是輕質(zhì)高熵合金未來發(fā)展的一個重要方向。提高輕質(zhì)高熵合金的塑性能力，可有以下幾種思路作為參考：①開發(fā)具有FCC相與BCC相雙相共存的固溶體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高熵合金體系。②細化晶粒。③形成孿晶提高塑性。孿晶既可以阻礙位錯運動又可以吸收位錯，從而增強塑性能力。④引入納米第二相粒子提高塑性。⑤利用相變誘發(fā)塑性（TRIP）和孿生誘發(fā)塑性（TWIP）技術(shù)提高塑性。

耐腐蝕和高溫抗氧化性能

高熵合金的“雞尾酒”效應賦予了輕質(zhì)高熵合金擁有優(yōu)良的耐腐蝕、高溫抗氧化等性能。已有學者對輕質(zhì)高熵合金的耐腐蝕、高溫抗氧化等性能進行了研究，并獲得了理想效果。

TAN等對Al2NbTi3V2Zr輕質(zhì)高熵合金在質(zhì)量分數(shù)為10%的HNO3溶液中的腐蝕性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)其自腐蝕電流密度比Ti64鈦合金低一至兩個數(shù)量級，抗腐蝕性能高于Ti64鈦合金。QIU等對AlTiVCr輕質(zhì)高熵合金在0.6mol/L NaCl溶液中的腐蝕性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)AlTiVCr比純鋁和304不銹鋼更能有效抑制點蝕萌生，表現(xiàn)出了優(yōu)秀的耐腐蝕性能。O′BRIEN等[53]制備了一種低成本的輕質(zhì)高熵合金AlFeMnSi,并研究了AlFeMnSi在0.6mol/L NaCl溶液中的腐蝕行為，圖5為其動電位極化曲線和在0.6mol/L NaCl溶液中的波特圖。由圖可知，AlFeMnSi合金的腐蝕電位低于304不銹鋼，但兩種合金的擊穿電位、腐蝕電流密度和總鈍化電流密度相近。因此，AlFeMnSi表現(xiàn)出了與304不銹鋼相當?shù)牧己媚透g性能。

TSENG等研究了Al20Be20Fe10 Si15Ti35輕質(zhì)高熵合金的高溫抗氧化性能。在相同溫度、相同時間下，Al20Be20Fe10 Si15Ti35的氧化增重明顯小于Ti6Al4V合金，稍遜于IN738LC合金。這表明該輕質(zhì)高熵合金在700℃和900℃下有著優(yōu)異的抗氧化性能。分析認為，這是由于Al、Si元素在合金表面形成了氧化膜阻止了后續(xù)氧的腐蝕。譚欣榮等研究發(fā)現(xiàn)，Al2NbTi3V2Zr輕質(zhì)高熵合金的抗氧化能力與高熵合金中富Zr相（Zr-Al基金屬間化合物）有關(guān)，高溫氧化下，Zr易形成不致密的氧化膜，降低合金的高溫抗氧化性。MOHSEN等研究了AlTiVCr輕質(zhì)高熵合金的高溫抗氧化性能，發(fā)現(xiàn)AlTiVCr在高溫氧化時，能夠形成多層氧化膜。圖7為AlTiVCr輕質(zhì)高熵合金在900℃下24h氧化后的SEM和EDS圖?？煽闯?，氧化膜外層為V2O5,中間層為含Cr、V的TiO2和（Al,Cr）2O3,內(nèi)層為TiO2和Al2O3。由于V2O5的熔點（690℃）和沸點（1 750℃）較低，使得其在高溫下易揮發(fā)或熔化，不具備保護性質(zhì)。因此，AlTiVCr在900℃下24h的氧化增重為17.4mg·cm-2。MOHSEN分析認為，提高Al含量，可使合金抑制鈦釩氧化物形成，確保形成具有保護性的Al2O3氧化膜。

輕質(zhì)高熵合金的高溫抗氧化能力強弱主要取決于能否形成連續(xù)致密且穩(wěn)定的保護性氧化膜。根據(jù)目前報道，可形成保護性氧化膜的元素有Al、Cr、Si等。此外，在合金體系中加入活性元素如Y、Hf等，會提高氧化膜與基體的黏附性，從而增強高溫抗氧化能力。因此，未來可探索活性元素對AlCrSi系輕質(zhì)高熵合金的高溫抗氧化性能的影響。需注意的是，若AlCrSi系輕質(zhì)高熵合金中Si含量過多，會導致合金體系形成金屬間化合物，進而影響合金的力學性能。

圖5 AlFeMnSi使用0.167mV/s電位掃描率收集的動電位極化曲線和在0.6mol/L NaCl溶液中的波特圖

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