轻质高熵合金的性能

力学性能

高熵合金的硬度与其主元元素种类、原子半径及含量密切相关。目前已报道轻质高熵合金的硬度因体系不同相差很大。STEPANOV等[43-44]通过研究Cr、Al元素对轻质高熵合金AlCrxNbTiV和Al xNbTiVZr体系力学性能的影响发现，随着Cr、Al元素含量的增加，合金的硬度随之增高。分析认为是由于Cr、Al元素对轻质高熵合金AlCrxNbTiV和Al xNbTiVZr体系力学性能的影响，随着Cr、Al元素含量的增加，合金的硬度随之增高。分析认为是由于Cr、Al含量的增加使得Laves相增多，从而提高了合金硬度。LI等[29]研究发现，随着Mg元素的增加，Mgx（MnAlZnCu）100-x（x=20、33、43、45.6、50）系轻质高熵合金的硬度反而减小，由431HV0.2降到178HV0.2,并指出这是由于合金固溶强化作用减弱所致。在轻质高熵合金体系中加入微量元素也会增加其硬度。史鹏飞[45]在AlTiNiMn中加入B元素，发现该体系晶格畸变加剧，固溶强化效果增强，合金硬度有所提高，最高达到7 790MPa。HUANG等[22]在AlCrTiV中加入B、C、Si以引入第二相，从而提高了合金体系的硬度，在保证密度接近钛合金的同时，硬度高达710HV0.2。此外，轻质高熵合金的加工工艺和热处理工艺也对其硬度有一定影响。张一村[46]发现，AlTiVZr0.2B0.2轻质高熵合金的硬度随烧结温度的升高先增加后下降。1 100℃下制备的AlTiVZr0.2B0.2具有最高硬度809.7HV0.1,明显高于TC4钛合金的334.6HV0.1。HAMMOND等[47]发现，AlFeMgTiZn轻质高熵合金粉末的硬度随着退火温度的升高先升高后降低，当退火温度为600℃时，其硬度最高为8.1GPa,分析认为这种变化与元素的偏析有关。

目前，轻质高熵合金通常用压缩性能表征其强度、塑性等力学性能。影响轻质高熵合金压缩性能的因素主要有合金元素类型、应变速率、热处理工艺等。添加合金元素除可引起晶格畸变、增加固溶强化效果外，还可与合金主元作用来改变晶体结构，生成有序相，从而改变轻质高熵合金的力学性能。陈永星等[48]发现在Al 0.5CoCu0.5NiSi轻质高熵合金中加入微量V元素后，合金的相结构保持不变，但晶格常数变大、晶格畸变效果加剧。加入V后的合金，抗压强度比母合金提高了近270MPa。SHAO等[37]发现AlMgZnCuSi系轻质高熵合金的强度及塑性随着Al含量增加而有所改善。Al含量提高使得塑性较好的α-Al固溶相增多，金属间化合物减少。当Al含量为85%时，AlMgZnCuSi系轻质高熵合金的抗压强度为814MPa;当为90%时，高熵合金的塑性应变极限为32.7%。由Hollomon公式可知，应变速率在一定程度上对合金的力学性能也会产生影响。TIAN等[49]研究了不同应变速率下，AlCoCrFeNi轻质高熵合金的强度。结果表明，随着应变速率的增大，不同温度下，AlCoCrFeNi的强度随之增加，如图4所示。此外，改变热处理工艺也可以改善轻质高熵合金的力学性能。STEPANOV等[50]研究了退火处理对Al 0.5CrNbTi2V0.5轻质高熵合金压缩性能的影响，发现经退火处理后，Al 0.5CrNbTi2V0.5高熵合金的室温压缩屈服强度提高了近100MPa。此外，随着退火温度的升高，压缩屈服强度逐步降低，韧性逐步提高。

可以看出，轻质高熵合金具有较高硬度和强度，但塑性较差。因此，在保证高强度的同时，提高塑性能力是轻质高熵合金未来发展的一个重要方向。提高轻质高熵合金的塑性能力，可有以下几种思路作为参考：①开发具有FCC相与BCC相双相共存的固溶体结构轻质高熵合金体系。②细化晶粒。③形成孪晶提高塑性。孪晶既可以阻碍位错运动又可以吸收位错，从而增强塑性能力。④引入纳米第二相粒子提高塑性。⑤利用相变诱发塑性（TRIP）和孪生诱发塑性（TWIP）技术提高塑性。

耐腐蚀和高温抗氧化性能

高熵合金的“鸡尾酒”效应赋予了轻质高熵合金拥有优良的耐腐蚀、高温抗氧化等性能。已有学者对轻质高熵合金的耐腐蚀、高温抗氧化等性能进行了研究，并获得了理想效果。

TAN等对Al2NbTi3V2Zr轻质高熵合金在质量分数为10%的HNO3溶液中的腐蚀性能进行了研究，发现其自腐蚀电流密度比Ti64钛合金低一至两个数量级，抗腐蚀性能高于Ti64钛合金。QIU等对AlTiVCr轻质高熵合金在0.6mol/L NaCl溶液中的腐蚀性能进行了研究，发现AlTiVCr比纯铝和304不锈钢更能有效抑制点蚀萌生，表现出了优秀的耐腐蚀性能。O′BRIEN等[53]制备了一种低成本的轻质高熵合金AlFeMnSi,并研究了AlFeMnSi在0.6mol/L NaCl溶液中的腐蚀行为，图5为其动电位极化曲线和在0.6mol/L NaCl溶液中的波特图。由图可知，AlFeMnSi合金的腐蚀电位低于304不锈钢，但两种合金的击穿电位、腐蚀电流密度和总钝化电流密度相近。因此，AlFeMnSi表现出了与304不锈钢相当的良好耐腐蚀性能。

TSENG等研究了Al20Be20Fe10 Si15Ti35轻质高熵合金的高温抗氧化性能。在相同温度、相同时间下，Al20Be20Fe10 Si15Ti35的氧化增重明显小于Ti6Al4V合金，稍逊于IN738LC合金。这表明该轻质高熵合金在700℃和900℃下有着优异的抗氧化性能。分析认为，这是由于Al、Si元素在合金表面形成了氧化膜阻止了后续氧的腐蚀。谭欣荣等研究发现，Al2NbTi3V2Zr轻质高熵合金的抗氧化能力与高熵合金中富Zr相（Zr-Al基金属间化合物）有关，高温氧化下，Zr易形成不致密的氧化膜，降低合金的高温抗氧化性。MOHSEN等研究了AlTiVCr轻质高熵合金的高温抗氧化性能，发现AlTiVCr在高温氧化时，能够形成多层氧化膜。图7为AlTiVCr轻质高熵合金在900℃下24h氧化后的SEM和EDS图。可看出，氧化膜外层为V2O5,中间层为含Cr、V的TiO2和（Al,Cr）2O3,内层为TiO2和Al2O3。由于V2O5的熔点（690℃）和沸点（1 750℃）较低，使得其在高温下易挥发或熔化，不具备保护性质。因此，AlTiVCr在900℃下24h的氧化增重为17.4mg·cm-2。MOHSEN分析认为，提高Al含量，可使合金抑制钛钒氧化物形成，确保形成具有保护性的Al2O3氧化膜。

轻质高熵合金的高温抗氧化能力强弱主要取决于能否形成连续致密且稳定的保护性氧化膜。根据目前报道，可形成保护性氧化膜的元素有Al、Cr、Si等。此外，在合金体系中加入活性元素如Y、Hf等，会提高氧化膜与基体的黏附性，从而增强高温抗氧化能力。因此，未来可探索活性元素对AlCrSi系轻质高熵合金的高温抗氧化性能的影响。需注意的是，若AlCrSi系轻质高熵合金中Si含量过多，会导致合金体系形成金属间化合物，进而影响合金的力学性能。

图5 AlFeMnSi使用0.167mV/s电位扫描率收集的动电位极化曲线和在0.6mol/L NaCl溶液中的波特图

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