本報(bào)實(shí)習(xí)記者 趙萍

 

　　“高熵合金具有高強(qiáng)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(chǔ)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(huì)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(diǎn)、制備方法和成形方法等，并對(duì)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(huì)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(dòng)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(qiáng)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(shí)，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）?！眲⒈蛘f。

 

　　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(shì)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(diǎn)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(shí)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(dòng)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(jī)械合金化（MA）法，金屬或合金粉末在高性能球磨機(jī)中通過粉末顆粒與磨球長時(shí)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?！斑@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(huì)產(chǎn)生合金化元素污染，不便于在下一步成形制備中使用?！眲⒈蛱貏e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）。”劉彬說道，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(shí)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?！?/div>