何春静等：粉末冶金在高熵材料中的应用 1505· 同时烧结后的样品中，FCC结构的样品由于层错 种难熔高嫡合金均由BCC结构的基体相和FCC 能较低会存在少量退火孪品，在MA过程中引入 结构的析出相组成，基体相成分与名义成分接近， 的大量位错会在SPS过程中会释放部分应变能， 析出相主要为TiN+TiC+TiO的复合物，Al元素的 因此，细晶强化是其具有超高强度的主要原因.Lu 少量添加使得难熔高嫡合金的密度从9.02降至 等2也发现SPS烧结后的FCC结构的样品中存 8.75gcm3,同时Al元素的加入细化了基体和析 在少量层错和孪品，但品界强化仍是主要的强化 出相的晶粒，NbTaTiVAlo..2s高熵合金较NbTaTiV 方式，其通过气雾化制粉技术获得了CoCrFeMnNi 高嫡合金的强度和塑性均有提高，屈服强度从 高嫡合金粉，再使用高能行星球磨机球磨进一步 1506.33增加至1756.62MPa,断裂应变从36.79% 消除雾化粉末的气孔并细化其组织，球磨10和15h 提高到39.19%，具有优良的综合力学性能.粉末冶 后烧结的高嫡合金拉伸屈服强度分别为1040和 金技术使材料获得了更细的晶粒和更均匀的组 1055MPa,如图2所示.MA可有效细化晶粒尺寸， 织，两种难熔高嫡合金的屈服强度均要比电弧熔 产生较好的晶界强化效果，但球磨时间太长会 炼法制备的NbTaTiV和NbTaTiVAlo..2s高嫡合金1 使粉末发生团聚，不利于材料的致密化，因此在 高出400MPa以上，但由于其析出相较多，导致其 MA时要合理的控制球磨时间，在烧结时选用合适 塑性降低.难熔高嫡合金由于其硬度高、脆性大， 的烧结温度和烧结时间，以获得细小均匀的纳米 其加工能力较差，亚重影响其应用范围.粉末冶金 晶结构 技术可以使元素均匀分布并使材料直接成型，可 以有效地解决难熔高嫡合金成型困难的问题 1400 球磨15h 4.3轻质高熵合金 1200 球磨10h 轻质是材料设计和应用时令人关注的重要性 1000 球磨4h 质，对于节能减排具有重要意义，轻质高嫡合金低 800 密度高强度的特点在航空航天领域尤为重要，因 600 此越来越多的研究者致力于轻质高嫡合金的研 400 究.一般轻质高嫡合金在元素选择时更多的是考 200 虑Al、Mg、Ti、Li等元素，它们的熔点也较低(Ti 除外).由于电弧熔炼的温度过高甚至可能超过某 5810 1214 其应变% 些低熔点元素的沸点，当高嫡合金体系中各金属 图2 CrMnFeCoNi HEAs的啦伸曲线P 元素熔点相差很大时，会导致低熔点元素烧损，从 Fig.2 Tensile curves of CrMnFeCoNi HEAs5I 而在材料内部产生气孔并造成材料成分的不稳 定.Youssef等切通过球磨的方法分别在氩气保护 4.2难熔高熵合金 和氧、氮掺杂的气氛中制备Al2oLi20Mg1oSc20Ti30高 难熔高嫡合金（refractory high-entropy alloys, 嫡合金粉末，然后在2GPa压力下压制成6.25mm× RHEAs)是一种相对较新的多主元合金，它以几种 3mm的盘状样品.对试样在500℃进行退火，无 难熔金属为主元，通常具有体心立方晶体结构， 氧、氨掺杂的试样由单相FCC转变为HCP结构， 因其有较高的高温强度和优异的高温抗氧化 有氧、氨掺杂的试样没有发生相变，这是因为 性能等受到关注.Han等发现MoNbTaW和 HCP结构含有较小的八面体间隙，因此在退火过 MoNbTaVW在1600℃下仍具有较高的的屈服强 程中，含氧和氨的样品不会转化为HCP结构.经 度，分别为405和477MPa.由于高嫡合金的缓慢 粉末冶金技术制得的Al2oLi2oMg1oSc20Ti30高嫡合 扩散效应，其具有优异的高温稳定性，高温性能优 金具有很高的硬度，且其密度仅为2.67gcm3 于传统高温合金，但其韧脆转变温度较高且密度 Maulik与Kumarl48通过MA和SPS技术制备的 大.难熔高熵合金在航空航天领域极具吸引力，有 A1 CrCuFeMg.(x=0,0.5,1,1.7)高嫡合金，密度分别 望应用于航空喷气发动机涡轮叶片，为了降低材 为6.091、5.79、5.367、4.91gcm3,DTA结果表明 料的密度并进一步提升其抗氧化性能，Gao在 AICrCuFeMg合金在500℃以下具有热稳定性. 难熔高嫡合金中加入一定含量的A!元素，采用 4.4弥散强化高熵合金 MA和SPS(1100℃烧结)的制备工艺分别制备了 弥散强化，即通过加入硬质颗粒（超细第二 NbTiTaV和NbTiTaVAlo2s两种难熔高嫡合金，两 相)来阻碍位错的运动而导致材料强化的方法，广同时烧结后的样品中，FCC 结构的样品由于层错 能较低会存在少量退火孪晶，在 MA 过程中引入 的大量位错会在 SPS 过程中会释放部分应变能， 因此，细晶强化是其具有超高强度的主要原因. Liu 等[25] 也发现 SPS 烧结后的 FCC 结构的样品中存 在少量层错和孪晶，但晶界强化仍是主要的强化 方式，其通过气雾化制粉技术获得了 CoCrFeMnNi 高熵合金粉，再使用高能行星球磨机球磨进一步 消除雾化粉末的气孔并细化其组织，球磨 10 和 15 h 后烧结的高熵合金拉伸屈服强度分别为 1040 和 1055 MPa，如图 2 所示. MA 可有效细化晶粒尺寸， 产生较好的晶界强化效果，但球磨时间太长会 使粉末发生团聚，不利于材料的致密化，因此在 MA 时要合理的控制球磨时间，在烧结时选用合适 的烧结温度和烧结时间，以获得细小均匀的纳米 晶结构. 4.2    难熔高熵合金 难熔高熵合金 （ refractory  high-entropy  alloys， RHEAs）是一种相对较新的多主元合金，它以几种 难熔金属为主元，通常具有体心立方晶体结构[44] ， 因其有较高的高温强度和优异的高温抗氧化 性 能 等 受 到 关 注 . Han 等 [6] 发 现 MoNbTaW 和 MoNbTaVW 在 1600 ℃ 下仍具有较高的的屈服强 度，分别为 405 和 477 MPa. 由于高熵合金的缓慢 扩散效应，其具有优异的高温稳定性，高温性能优 于传统高温合金，但其韧脆转变温度较高且密度 大. 难熔高熵合金在航空航天领域极具吸引力，有 望应用于航空喷气发动机涡轮叶片. 为了降低材 料的密度并进一步提升其抗氧化性能，Gao[45] 在 难熔高熵合金中加入一定含量的 Al 元素，采用 MA 和 SPS（1100 ℃ 烧结）的制备工艺分别制备了 NbTiTaV 和 NbTiTaVAl0.25 两种难熔高熵合金，两 种难熔高熵合金均由 BCC 结构的基体相和 FCC 结构的析出相组成，基体相成分与名义成分接近， 析出相主要为 TiN+TiC+TiO 的复合物，Al 元素的 少量添加使得难熔高熵合金的密度从 9.02 降至 8.75 g·cm−3，同时 Al 元素的加入细化了基体和析 出相的晶粒，NbTaTiVAl0.25 高熵合金较 NbTaTiV 高熵合金的强度和塑性均有提高 ，屈服强度从 1506.33 增加至 1756.62 MPa，断裂应变从 36.79% 提高到 39.19%，具有优良的综合力学性能. 粉末冶 金技术使材料获得了更细的晶粒和更均匀的组 织，两种难熔高熵合金的屈服强度均要比电弧熔 炼法制备的 NbTaTiV和 NbTaTiVAl0.25 高熵合金[46] 高出 400 MPa 以上，但由于其析出相较多，导致其 塑性降低. 难熔高熵合金由于其硬度高、脆性大， 其加工能力较差，严重影响其应用范围. 粉末冶金 技术可以使元素均匀分布并使材料直接成型，可 以有效地解决难熔高熵合金成型困难的问题. 4.3    轻质高熵合金 轻质是材料设计和应用时令人关注的重要性 质，对于节能减排具有重要意义，轻质高熵合金低 密度高强度的特点在航空航天领域尤为重要，因 此越来越多的研究者致力于轻质高熵合金的研 究. 一般轻质高熵合金在元素选择时更多的是考 虑 Al、Mg、Ti、Li 等元素，它们的熔点也较低（Ti 除外）. 由于电弧熔炼的温度过高甚至可能超过某 些低熔点元素的沸点，当高熵合金体系中各金属 元素熔点相差很大时，会导致低熔点元素烧损，从 而在材料内部产生气孔并造成材料成分的不稳 定. Youssef 等[47] 通过球磨的方法分别在氩气保护 和氧、氮掺杂的气氛中制备 Al20Li20Mg10Sc20Ti30 高 熵合金粉末，然后在 2 GPa 压力下压制成 ϕ6.25 mm × 3 mm 的盘状样品. 对试样在 500 ℃ 进行退火，无 氧、氮掺杂的试样由单相 FCC 转变为 HCP 结构， 有氧 、氮掺杂的试样没有发生相变 ，这是因 为 HCP 结构含有较小的八面体间隙，因此在退火过 程中，含氧和氮的样品不会转化为 HCP 结构. 经 粉末冶金技术制得的 Al20Li20Mg10Sc20Ti30 高熵合 金具有很高的硬度 ，且其密度仅 为 2.67 g·cm–3 . Maulik 与 Kumar[48] 通 过 MA 和 SPS 技 术 制 备 的 AlCrCuFeMgx（x=0，0.5，1，1.7）高熵合金,密度分别 为 6.091、 5.79、 5.367、 4.91 g·cm−3 ， DTA 结果表明 AlCrCuFeMgx 合金在 500 ℃ 以下具有热稳定性. 4.4    弥散强化高熵合金 弥散强化，即通过加入硬质颗粒（超细第二 相）来阻碍位错的运动而导致材料强化的方法，广 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 真应力/MPa 0 2 4 5 8 10 12 14 16 真应变/% 球磨15 h 球磨10 h 球磨4 h 图 2    CrMnFeCoNi HEAs 的拉伸曲线[25] Fig.2    Tensile curves of CrMnFeCoNi HEAs[25] 何春静等： 粉末冶金在高熵材料中的应用 · 1505 ·