1.4.1 结构特点
(1)倾向于形成简单体心立方及面心立方固溶体。在传统观念中,作为合金,多个主元混合时会形成金属间化合物,生成脆性相。而作为一种新型的合金材料,高熵合金虽然由多种金属合成,但是形成合金的结构并不复杂[6],具有简单体心立方及面心立方结构,这主要是因为高熵效应。当合金主元较多使得混合熵高于金属间化合物的熵时,高熵效应就会抑制金属间化合物的产生,有利于主元的充分混合,进而形成简单的体心立方及面心立方结构。
(2)纳米析出甚至非晶化现象。在铸态或者是完全回火态下高熵合金会有纳米晶颗粒的析出[7]。这主要是因为高熵合金从固态溶化成液态时,合金中的元素排列混乱形成无序态,凝固后由于各元素的扩散与再次分配,使得析出物的成核与长大被延迟[6],便于纳米相的形成。另外在高熵合金中,晶格畸变严重以及主元众多等因素也阻碍了原子间的扩散。这些都使得在冷却进程中,高熵合金形成非晶相。
1.4.2性能特点
材料的性能受其成分的影响。对于包含单个主要元素的传统合金,主要性能是由主导元素所决定的,其他次要的合金元素是用来增强一些特殊的性能。比如说,在低碳铁素体钢中,主要的机械性能是来自bcc结构的铁。碳作为一个间隙溶质元素,是用来固溶强化钢,也用来提升马氏体的淬火能力,这被称为相变强化。钢的主要性能还是来自于铁。对于铝合金和钛合金,它们的性能主要和铝和钛的主导地位相关。
金属间化合物的性能通常是基于两个元素,比如说Ti-Al系,Fe3Al和Fe3Si。金属间化合物是典型的有序相并且有些有严格的成分范围。对于位错运动,有序相的伯格斯矢量太大,这是金属间相通常很脆的原因。可以通过微合金化改善金属间化合物的塑性。
非晶态金属通常表现出超高的屈服强度,因为它们不包含任何传统弱化的因素,比如位错和晶界,它们的屈服强度通常是其相应的结晶对应的合金的三至五倍。
而对于高熵合金,它们的性质可以和任何构成元素都不同。比起传统合金相比,高熵合金拥有众多优越的性能。其是由多个主元构成,晶格畸变严重,从而使得位错难以在晶体中运动。并且,多元高熵合金若为结晶相,各主元的原子都可被当作溶质原子,很大程度上形成了饱和固溶体,被认为是一种“超级固溶体”[8]。固溶强化效应导致位错运动困难。若为非晶相,因为混乱度大,位错密度大,所以滑动变形困难。高熵合金中,位错的运动困难会使其强度与硬度都非常高。
高熵合金的耐蚀性能良好,明显优于其他合金。首先高熵合金组织结构简单,不易于形成第二相。其次高熵合金主元众多,某些元素例如Al,易于在合金表面形成致密的氧化膜以及合金体系中具有非晶、微晶、单相、低自由焓等结构,这些都有助于高熵合金耐蚀性能的改善。另外,结构强化也是有利因素。高熵合金的很多组织都是枝晶结构,在枝晶间容易出现无顺序组织和纳米微粒,这些也有利于耐蚀性能。
高熵合金的热稳定性非常好。因为高熵合金组元众多,体系混乱程度高。系统的混乱度随着温度的升高而变高。根据自由能公式,这会使得合金更加稳定。也就是说,当温度较高时,依旧存在固溶强化效应,所以在高温下,合金的强度和耐回火软化较好,明显比传统合金优异。
此外,高熵合金有着优越的磁学性能和抗氧化性能、良好的压缩性能和耐磨性能等,可应用于很多方面。