本報實習(xí)記者 趙萍
“高熵合金具有高強度、高硬度、磁特性等性能，在耐腐蝕、耐高溫、耐磨性等方面具有極好的應(yīng)用效果，可用于焊接材料、儲氫材料、耐蝕材料等的制造?！?月25日，中南大學(xué)粉末冶金研究院高溫結(jié)構(gòu)材料研究所所長劉彬在由中國有色金屬學(xué)會主辦、中南大學(xué)承辦的有色金屬云課堂上介紹了粉末冶金高熵合金的性能特點、制備方法和成形方法等，并對粉末冶金高熵合金的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了展望。
高熵合金可能具有理想的優(yōu)異性能
在傳統(tǒng)概念中，合金中加入的金屬種類越多則越容易脆化，然而含有多種金屬的高熵合金卻不會脆化。學(xué)界認(rèn)為，高熵合金可能具有很多理想的優(yōu)異性能。因此，高熵合金作為一種新材料在材料科學(xué)及工程領(lǐng)域受到大量關(guān)注和高度重視。
劉彬介紹，高熵合金具有四大核心效應(yīng)，包括熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)——單相固溶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)上的嚴(yán)重晶格畸變效應(yīng)、動力學(xué)上的擴(kuò)散遲滯效應(yīng)、雞尾酒效應(yīng)——優(yōu)異的綜合性能。比如，晶格畸變提高了高熵合金的強度，使其具備優(yōu)異的力學(xué)性能；納米孿生誘發(fā)高熵合金優(yōu)異的斷裂韌性，在低溫環(huán)境中具備極好的應(yīng)用潛力；優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和擴(kuò)散遲滯效應(yīng)導(dǎo)致高熵合金在高溫下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。同時，研究發(fā)現(xiàn)，高熵合金在高劑量輻照條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并具有低且穩(wěn)定的熱膨脹率、較低的熱導(dǎo)率和較好的超導(dǎo)性能。此外，高熵合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，在高濃度硫酸、鹽酸、硝酸等腐蝕溶液環(huán)境中，較傳統(tǒng)不銹鋼更耐蝕。
“目前，高熵合金研究最多的是3D過渡族高熵合金（Fe、Co、Cr、Ni、Mn等）和難熔系列高熵合金（W、Mo、Ta、Nb、V等）。”劉彬說。
5種高熵合金粉末制備方法
近年來，隨著增材制造等相關(guān)技術(shù)逐漸趨于成熟，粉末冶金高熵合金逐漸進(jìn)入學(xué)界和業(yè)界的研究視野。相較于傳統(tǒng)鑄造高熵合金，粉末冶金高熵合金可以將高熵合金的性能優(yōu)勢更好地發(fā)揮出來，在不同領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更多可能。
劉彬介紹，相較于傳統(tǒng)鑄造高熵合金，粉末冶金高熵合金在組織結(jié)構(gòu)上容易獲得成分均勻、組織細(xì)小的合金材料，可制備高熔點材料（包括鎢基耐輻照合金、難熔高熵高溫構(gòu)件、高熵硬質(zhì)合金等）、高性能涂層（包括超硬、耐磨、耐輻照、耐腐蝕等）等，也可通過增材制造技術(shù)（激光送粉法LMDF、選區(qū)激光熔化SLM、電子束粉床法EBM）制備復(fù)雜構(gòu)件。此外，通過近凈成形技術(shù)可實現(xiàn)高熵合金的低成本制備，破解高熵合金制備成本高的難題，推動高熵合金的快速應(yīng)用。
“目前，高熵合金特種粉末主要有5種制備方法?！眲⒈蚪榻B。第一種是機械合金化（MA）法，金屬或合金粉末在高性能球磨機中通過粉末顆粒與磨球長時間的激烈沖擊、碰撞，使粉末顆粒反復(fù)產(chǎn)生冷焊、斷裂，導(dǎo)致粉末顆粒中原子擴(kuò)散，從而獲得合金化粉末。“這種方法幾乎適用于所有高熵合金，但制備出的粉末球形度不夠，容易產(chǎn)生雜質(zhì)，且一些介質(zhì)會產(chǎn)生合金化元素污染，不便于在下一步成形制備中使用。”劉彬特別指出。
第二種是緊耦合惰性氣體霧化法（GA）。該方法是通過熔煉爐將合金熔為液體，由導(dǎo)管流到噴盤里，再通過出氣口將液體打散，形成小液滴，待冷卻后變成球形粉末。這種制備方法成本低，制備出的粉末粒度細(xì)、球形度好，但不適用于加工難熔（上限溫度為1800攝氏度左右）或高活性的高熵合金。
如何制備高活性、高純凈度的高熵合金粉末呢？劉彬介紹了第三種制備方法——電極感應(yīng)熔煉氣霧化法（EIGA）。這種方法是將高熵合金材料熔成電極后，放入感應(yīng)線圈加熱形成液流，通過高壓氣體沖擊液流，最后得到氣化粉末。劉彬介紹，這種制備方法沒有坩堝污染，制出的粉末粒度細(xì)，雜質(zhì)含量低。
“目前制備高熵合金粉末比較熱門和常見的方法是第四種——旋轉(zhuǎn)電極霧化法（PREP）?！眲⒈蛘f道，這種方法是在鎢電極和高熵合金試樣電極之間通過大量電流，使試樣尖端熔化，在熔化的同時使電極高速旋轉(zhuǎn)，利用離心力作用將熔化的液體甩出去形成小液滴，待小液滴冷卻后形成粉末。劉彬指出：“這種制備方法沒有坩堝污染，制備出的粉末球形度好、雜質(zhì)含量低，適用于制備高活性粉末。”
“如果遇到熔點很高的高熵合金可以使用等離子球化法。通過等離子球化法制備出的這類高熵合金粉末球形度好、成分均勻?！眲⒈蚪榻B了第五種制備方法。這種方法是利用等離子體里8000~10000攝氏度高溫瞬間熔化高熵合金形成液體，通過表面張力作用形成液滴，待液滴冷卻后形成粉末。
5種粉末冶金高熵合金成形方法
當(dāng)制備出高熵合金粉末后，下一步便是將高熵合金粉末制備成形。劉彬介紹了粉末冶金高熵合金成形方法。
一是SPS（放電等離子燒結(jié)）方法，通過脈沖電流和上下模沖加壓實現(xiàn)等離子體燒結(jié)。這種方法升溫速度快、燒結(jié)溫度低、致密度高，適用于納米材料、復(fù)合材料、陶瓷材料等小型材料的制造，制造出的成品強度高但塑性較低。
二是粉末擠壓成形法。這種方法將高熵合金粉末放置于模具中后將氣體抽出密封形成真空的坯體，將坯體放置于預(yù)熱好的擠壓機上進(jìn)行擠壓，得到組織更細(xì)小、更均勻的合金成品。成品屈服強度高于采用傳統(tǒng)鑄造法制備的成品，綜合力學(xué)性能更優(yōu)?！巴瑫r，這種方法也適用于制備復(fù)合材料?！眲⒈蛱貏e介紹，制備復(fù)合材料時，通過熱擠壓可原位形成彌散分布的達(dá)到納米尺度的氧化物相，最終得到具有良好高溫力學(xué)性能和輻照性能的合金材料，但不適用于難熔的高熵合金材料。
三是熱等靜壓（HIP）成形方法。劉彬介紹，這種方法將粉末制成坯體后，通過熱等靜壓機進(jìn)行高溫高壓變形，制造出的合金結(jié)構(gòu)致密，且具有各向同性效果，材料利用率高，生產(chǎn)周期短，可實現(xiàn)近凈成形。
“研究表明，高熵合金涂層在耐磨性方面具有極好的應(yīng)用潛力?！眲⒈蚪榻B了第四種制備高熵合金涂層的方法，包括熱噴涂法（大氣等離子噴涂、超音速火焰噴涂）、等離子或激光熔覆方法（適用于復(fù)合材料）等。
此外，還可以通過第五種方法，即增材制造的方法來使高熵合金粉末成形，包括選區(qū)激光熔化法、激光送粉法（適用于制造大型構(gòu)件）、電子束粉床法（適用于制備熱裂傾向大的材料）等。
劉彬認(rèn)為，粉末冶金高熵合金在多個領(lǐng)域顯示出很好的應(yīng)用發(fā)展前景。其中，在輻照領(lǐng)域，高熵合金可用于制造反應(yīng)堆包殼管、聚變堆第一壁、偏濾器等材料；在海洋、石化、航空航天等領(lǐng)域，高熵合金可用于制造高溫、耐磨、耐蝕等高性能涂層。
同時，劉彬建議，下一步，基于材料基因工程設(shè)計思想，可利用粉末冶金高通量的制備與表征技術(shù)，實現(xiàn)高熵合金成分的快速篩選，縮短新合金研發(fā)周期；發(fā)揮粉末冶金工藝靈活性、成分過飽和性等優(yōu)點，設(shè)計顆粒強韌化復(fù)合結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)等的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料；可研究航空航天、生物醫(yī)用等復(fù)雜高熵合金構(gòu)件及難成形高熵合金構(gòu)件的增材制造技術(shù)，推進(jìn)高熵合金的應(yīng)用發(fā)展。
名詞解釋
高熵合金（High-entropy alloys）簡稱HEA，是由5種或5種以上等量或大約等量金屬組成的合金，沒有溶質(zhì)和溶劑之分，化學(xué)無序，結(jié)構(gòu)有序，是一種多維單相固溶體結(jié)構(gòu)。其最早由中國臺灣科學(xué)家葉鈞蔚提出，在2010年左右得到學(xué)界廣泛關(guān)注。高熵合金由于具有優(yōu)異的耐腐蝕、耐高溫、耐磨性等性能，可用于制作船用耐蝕構(gòu)件、微機電加工元件、渦輪葉片等高精尖產(chǎn)品，在航空航天、海洋、化工等領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景。
《中國冶金報》（2020年08月06日 03版三版）
