摘要：共晶高熵合金概念自2014年卢一平教授团队提出以来，已经经过了10年的探索与研究。与高熵合金和传统共晶合金相比，共晶高熵合金有哪些方面优势与特点？目前，共晶高熵合金所面临哪些困境或棘手的问题，亟需进一步解决？
Part 1
共晶高熵合金、传统共晶合金
Q
共晶高熵合金概念自2014年卢一平教授团队提出以来，已经经过了10年的探索与研究。与高熵合金和传统共晶合金相比，共晶高熵合金有哪些方面优势与特点？目前，共晶高熵合金所面临哪些困境或棘手的问题，亟需进一步解决？
张令坤博士：
好的，在我们了解共晶高熵合金概念它的优势和特点之前，我们先了解一下高熵合金和传统共晶合金。我们知道高熵合金是由5种及以上元素所组成，且各元素之间以等比例或者近等比例的方式进行配制，没有溶质和溶剂之分。因此在高的混合熵促使下，高熵合金更倾向于形成单相无序固溶体结构，例如FCC结构、BCC结构和HCP结构。相较于传统合金，多主元设计理念赋予了高熵合金独特的性质。例如热力学上的高熵效应，结构上的晶格畸变效应，动力学上的迟滞扩散效应，以及性能上的鸡尾酒效应。
高熵合金独特的性质和简单的相结构，不仅使得其展现出优于传统合金的力学性能，而且还具有显著的功能性。所以近些年得到材料研究领域的广泛关注。但是高熵合金由于是由多种主元所组成，各主元之间的本质参数的差异性以及多种原子难以实现均匀混溶。这使得高熵合金展现出差的铸造流动性，较多的铸造缺陷，严重的成分偏析。因此难以实现各种精密零件或者大尺寸复杂铸件的成型。
而传统共晶合金，我们知道共晶反应是在特定的温度和成分下，有一种液相等温转变成两种及以上固相的反应。所以共晶合金的特点是它的熔点比较低，组织比较均匀，铸造性能好，流动性好，而且热稳定性好。铸造缺陷少，能够实现大尺寸复杂薄壁结构的铸造成型。
但是传统共晶高熵合金所面临的困境是什么呢？是因为传统合金，它主要是由一种或两种主要元素来实现设计的，主元数目少，所以难以实现多功能先进材料的设计。而对于共晶高熵合金，它主要是结合了高熵合金和共晶合金的优势。它不仅继承了共晶合金等温转变的共晶反应，使得其展现出优异的流动性，较少的铸造缺陷，均匀的微观组织，而且能够实现大尺寸复杂铸件的成型。而且共晶高熵合金也继承了高熵合金多主元设计理念，使得其展现出独特的物理、化学和力学性能。因此，共晶高熵合金概念的提出，无疑是为高熵合金和传统共晶合金的大规模工业化应用开辟了新的方向。自共晶高熵合金概念提出以来，大量的共晶高熵合金成分被设计，到目前为止已经超过了数百种共晶高熵合金成分。
主要分为FCC+B2，FCC+Laves相，FCC+σ相，FCC+μ相，以及BCC+B2、BCC1+BCC2，BCC+Laves相和BCC+HCP相。但是目前这些共晶高熵合金体系，除了FCC+B2体系外，其他体系通常室温塑性不佳，展现出室温固有脆性特征。尽管研究结果表明这些共晶高熵合金体系展现出独特的物理和化学性质，但是它的室温脆性特征仍然是它们的致命弱点。后续机械加工不足，而且难以满足先进工程领域对结构材料安全可靠性的需求。以上这些问题，对共晶高熵合金的发展与应用提出了巨大的挑战。
Part 2
FCC+B2共晶高熵合金、共晶双向协同变形
Q
张博士，您在前面以及在论文也提到，FCC+B2共晶高熵合金体系具有相对好的拉伸强韧协性能表现。那与FCC+B2共晶高熵合金体系相比，其他所设计的共晶高熵合金体系为什么通常展现出室温脆性特征？其内在原因是什么？
张令坤博士：
好的，首先对于FCC+B2共晶高熵合金体系而言，其在变形过程中，不仅软质的无序FCC固溶体相可以开动大量位错以促进塑性变形，而且硬质的B2相也可以开动位错来促进塑性变形，这使得FCC+B2共晶高熵合金体系具有共晶双相协同变形的能力，这也是该共晶高熵合金体系展现出优异的室温综合力学性能的原因。而对于其他共晶高熵合金体系而言，其共晶相组成，大部分是由软质的无序FCC共熔体相和脆性的金属间化合物相所组成。其在变形过程中只有软质的FCC相可以开动位错以促进塑形变形，而脆性的金属间化合物相则不可以有效的开动位错以促进塑形变形。这使得FCC加金属间化合物共晶高熵合金体系不具备共晶双相协同变形能力，这也是导致大部分所设计的共晶高熵合金体系展现出室温固有脆性特征的根本原因。
Part 3
球化+再结晶、屈服强度、延伸率
Q
张博士，请您简要介绍一下“球化+再结晶”策略的基本原理和实验手段。
张令坤博士：
好的，首先我们所设计的这个CoCrFeNi2(V6B3Si)0.149共晶高熵合金体系，也是由可塑性变形的FCC固溶体相和不可塑性变形的金属间化合物M3B2相所组成。所以在铸态下断裂延伸率非常差，只有2.3%，而屈服强度也不高，只有565 MPa。
我们通过对该共晶高熵合金体系的微观组织观察发现M3B2相，它展现出锯齿条状形貌，而FCC晶粒尺寸也达到了几十个微米。因为锯齿条状硬质硼化物它是含有丰富的应力集中位置的，容易造成大量的微裂纹形核，从而导致它的塑性较低。而粗大的FCC晶粒则是导致它强度较低的原因。我们想如果能够将这种硬质M3B2相由锯齿条状形状转变为球状形状，从而减少应力集中位置，则可以显著提升该共晶高熵合金体系的塑性。如果能够将FCC晶粒尺寸由几十个微米缩减到几个微米，甚至零点几个微米。依据Hall-Petch效应，我们知道则可以显著提升该共晶高熵合金的强度。于是我们对该共晶高熵合金在1100℃×24 h进行球化退火，以达到脆性M3B2相由锯齿条状形状转变为球状形状的目的。而在球化退火工艺的基础上，我们又对其进行了70%的冷轧和650~750℃×1 h的再结晶退火，以达到细化FCC晶粒尺寸的目的。最终我们对其力学性能进行了表征，发现相对于铸态下，球化+再结晶态合金的屈服强度提高了48%~126%，而延伸率则提高了539%~878%。强塑性协同提高量也超过了所有报道的进一步增强的FCC+B2共晶高熵合金体系。
Part 4
耐海水腐蚀性能、船用螺旋桨候选材料
Q
屈服强度和延伸率分别提高了48%到126%和539%到878%。这种强塑性协同提高量超过了所有报道的进一步增强的FCC+B2共晶高熵合金。这种性能协同提升后的共晶高熵合金可以应用到哪些工程应用中，以前FCC+B2共晶高熵合金能不能应用到这些领域？
张令坤博士：
好的，首先我们所设计的这个共晶高熵合金，它是含有非常高的硼含量的。因为硼原子它具有高的热中子捕获界面，所以材料设计者通常会将硼原子掺杂到金属或者聚合物中，来实现热中子屏蔽材料的设计。例如含硼聚乙烯和高硼钢等。通常情况下，随着硼含量的增加，材料的热中子屏蔽能力增强。而在我们所设计的这个CoCrFeNi2(V6B3Si)0.149共晶高熵合金中，硼含量约为6.89 at.%，其高含量的硼元素有望作为热中子屏蔽材料应用在核电领域。
而对于FCC+B2这个共晶高熵合金体，因为它没有硼原子，所以它不能应用在核电领域。而对于FCC+B2这个共晶高熵合金，我们通过之前的测试发现，该共晶高熵合金体系，它的耐腐蚀性能是优于所有的船用铜合金以及304L和316L不锈钢的。所以显示出优异的耐海水腐蚀性能，结合该共晶高熵合金体系具有优异的力学性能，在兼具了它的耐腐蚀性能的同时，是有望作为制造下一代船用螺旋桨的理想候选材料的。
Part 5
双重异质结构、三重异质结构、高强韧软磁共晶高熵合金设计
Q
您后续的研究方向是什么？继续协同提升强韧性能吗？还是致力于其他方面？您后续还有相关科研成果发表吗？
张令坤博士：
我们对后续也做了一定的研究，一方面就是强韧性方面，另一方面是结构功能一体化材料的设计方面。首先对于强韧性方面，我们是基于球化+再结晶工艺的基础上，对含硼亚共晶高熵合金中构建了一种双重异质微观结构，实现了极为优异的综合力学性能的设计，不仅超过了所有制备状态下的共晶高熵合金，而且其强塑性协同提高量也超过了所有的异质结构合金。之后我们想的是在球化+再结晶工艺的基础上，准备在含硼亚共晶高熵合金中引入L12纳米共格沉淀相来实现超高强韧性三重异质结构的设计。而对于结构功能一体化材料设计方面，我们也在高强韧软磁共晶高熵合金设计上取得一定的进展。
因为随着新能源电车的迅速崛起，电动机低能耗化、高转速化的发展趋势，对软磁材料提出了更高的要求。不仅要求其具有优异的软磁性能，而且也要要求它具有优异的综合力学性能。目前传统的软磁材料，例如铁基软磁合金、软磁铁氧体、非晶/纳米晶软磁材料，在磁性能方面它们均展现出各自的特点。但是它的力学性能不足，限制了它们的进一步应用。而目前新型的这种高熵合金，它可以兼具优异的软磁性能和力学性能。但是它不是共晶高熵合金成分，不具备这种共晶反应，所以它的组织偏析严重，铸造成型性差，为其大规模工业化应用前景蒙上了一层阴影。
而我们目前所设计的这种高强韧软磁共晶高压合金，它不仅在各种成型工艺下展现出良好的铸造流动性，均匀的微观组织和稀少的铸造缺陷，而且还拥有优异的力学性能和显著的软磁性能。其力学性能的抗拉强度高达932 MPa，屈服强度也高达437 MPa，断裂延伸率超过了20%。而软磁性能方面，饱和磁化强度超过了90 emu·g-1，矫顽力也低于400A·m-1，电阻率是高于97.4 μΩ·cm，距离温度也达到了850.3 K。因此这种兼具优异成型性、强韧性和软磁性的共晶高熵合金，有望作为新一代电子电力装备用的理想候选材料大规模工业化应用。
本文来自：《JMST》。
来源：小高的科学课堂