高熵合金及相关思考

问题描述

航空发动机是高度精密和复杂的热力机械，作为飞机的“心脏”，其技术水平是一个国家工业、科技和国防实力的重要体现。研究资料表明，发动机燃烧温度每升高 10℃，燃气轮机联合循环效率提高约 1％，因此，研究具有更高承温能力的高温合金具有重要的意义。

探寻材料的极限力学性能一直以来是科研工作者孜孜不倦的追求，近期，香港城市大学刘锦川课题通过可控地结合多种元素，采用电弧熔炼和热机械加工合成了一种特殊材料，具有超高强度（1.6GPa）及延展性（拉伸延展性达到25%），详细介绍如下文所示：

附：时间过得好快，依稀记得6月初跟王博士讨论过高熵合金能否具有一些特殊的性质，例如：弹性模量不随温度发生变化等，转眼已经来到了8月~

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文章介绍

单晶高温高温合金因其具有优异的高温力学、抗氧化和热腐蚀等综合性能，成为现代航空涡轮发动机的首选材料，但是，材料的加工生产需要一套极其复杂的工艺，且制造成本高，生产周期长，大大的限制了该材料在民用等场合的应用。

近期，香港城市大学实验中合成了高熵合金，其微观结构表征为无序界面纳米层(DINL)包裹有序超晶格颗粒(OSG)材料，避免了普通多晶合金高温环境下结构不稳定性的弊端的同时，具有超高的强度，相关成果在Science上发表（Yang et al., Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces，Science 369, 427–432 (2020)）

从图a可以看出，该高熵合金相较于Ni3Al具有更高的强度，更高的延展性；图b可知，该合金具有相对较高的屈服强度和延展性；图c可知，随着温度的升高，该合金硬度变化不明显，具有稳定的弹性模量，硬度等力学行为；图d可知，该合金在高温场合下晶粒尺寸变化不明显，避免了多晶合金异常晶粒粗化的弊端，具有相对稳定的力学性能。

实验发现，有序超晶格颗粒(OSG)材料顶角主要被Al（11%）、Ti（11%）原子占据，面心主要被Ni（45%）、Co（21%）原子占据，然而无序界面纳米层位置，组分发生明显变化，具体表征为Ni、Al以及Ti原子浓度降低，其它组分浓度相应的升高，进而产生独特的力学性质。

附录：相关思考

1、文中作者杨涛做实验出身，博士期间发表了好几篇Science，妥妥大神无疑了，😅，在5月份时候就想从模拟的角度得知界面（DING）与晶粒（OSG）原子浓度为何具有差异等，是否可以用最优化理论去解释？

看到晶粒的轮廓图，第一感觉是极其熟悉，😅，六边形分布，首先想到的就是跟能量最优排布相关~（详细参考生活中的科学（三）——蜂巢形状以及结冰过程思考）

个人理解：采用电弧熔炼和热机械加工使得钢锭升温过程中，系统吸收相应的能量（总能量升高），由于晶界（DING）的能量密度高于晶粒内部（OSG）的能量密度，进而系统会产生额外的晶界（DING）使得系统趋于均衡状态（晶粒边界和裂纹是否做等同理解，六面体边界可以理解为该种状态下能量最优分布），多次熔炼，最后产生文章中所示的样品。

推论1：晶界（DING）与晶粒内部(OSG）的区别可以表征为不同的原子排布，个人推测界面能量密度高于晶粒内部能量密度；

推论2：每次电弧熔炼过程中，DING晶界（组分不一致）应该产生于最外侧，多次熔炼，钢锭整体逐渐趋于均匀化；

推论3：晶界（DING）类似于金属玻璃，具有高强度，高弹性极限等；

推论4：电弧熔炼和热机械加工后，冷却速度会影响最后高熵合金的微观结构和力学性能。

2、 何为高熵合金，熵体现在什么地方？

熵概念的直观理解：液体凝固具有两条途径，分别对应着玻璃和晶体的形成过程，具体如下图所示：一般情况下，凝固伴随着体系内部晶体形核长大，从而形成晶态固体；然而当冷却速度足够快的时候，熔融液体来不及形核结晶，体系内原子的大规模、大范围平动在时间尺度上被冻结，形成玻璃态。

相较而言，合金原子排列更加规律，系统熵值更小，其强度一般为1GPa左右；相对于传统晶体材料，金属玻璃原子结构长程无序，系统熵值更大，强度能够达到6GPa，是金属材料领域许多记录的保持者，例如：Ni3Al强度大约为600Mpa，Co 基金属玻璃具有高达 6 GPa 的创纪录的超高强度。

附1：高熵合金作为一种新兴合金，一般是由五种及以上元素组成，在强韧化、极端温度机械性能、抗腐蚀、抗氧化、抗辐照等领域表现出优异的性能；

附2：金属玻璃的原子结构长程无序，没有晶态固体中的位错、晶界等缺陷，具有独特的力学性能，例如：超高强度、高韧性、高弹性、高硬度等。

附：本文更多是自己对文章的一种理解，难免有不足之处（甚至完全不对，😅），大家多多指正；王博士研究的课题就是高熵合金，好像有点班门弄斧了，😅