1466 工程科学学报，第43卷，第11期 目前为止，仅有Wo.sNi2Co2VMoo.5,Wa.sNi2Co2 和255MPa,强度增加了36%~50%.Alo.4Hf0.6 NbTAo.5 VCro.5和Wo.sNi2Co2 CrMoo..5三种难熔高嫡合金的 TZr和HfNbTaTiZr合金中，用AI元素部分替换Hf 晶体结构以无序FCC结构为基体相，并且伴随有 元素，室温下的屈服强度几乎翻倍.在1473K与 序的L12相o,他们是以W-Ni-Co为基的高温合 1873K之间.WMoNbTa和WMoNbTaV合金展现 金的衍生体系，添加了Cr、Mo、V元素，该类合金 出优于所有难熔高嫡合金的压缩屈服强度，在 通过真空电弧熔炼制得，具有树枝品结构.与早期 1873K的高温压缩试验下仍具有超过400MPa的 制备的WMoNbTa和WMoNbTaV相比，FCC结构 压缩屈服强度，是目前报道的难熔高熵合金中高 基体相比BCC结构基体相室温下具有更多的滑移 温力学性能最优异的两种 系，从而产生较大的压缩塑性应变，并且N元素 具有良好的延展性，能够显著改善合金的韧塑性， MoNbTaW 2000 --MoNbTaVw 因此该类难熔高嫡合金在室温下表现出更好的压 缩塑性 -×CrMoaNbTasTiZ: 3难熔高熵合金的性能 号1000 -CrNbTiVZr 难熔高熵合金作为特种高温合金具有诸多优 500 异的性能，如高温力学性能以及耐磨耐腐蚀、抗高 温氧化以及耐辐照等功能性能 8 3.1高温力学性能 296 67387310731273147316731873 难熔高熵合金的力学性能与合金成分、相组 Temperature/K 成、主元含量以及制备工艺等都有联系，室温下普 图10难熔高嫡合金与传统高温合金的压缩屈服强度与温度的关系判 遍展现出高强低韧的力学性能，而高温下大部分 Fig.10 Relationship between the compressive yield strength and 展现出高强高韧的力学性能，具备应用于高温结 temperature of refractory high-entropy alloys and the traditional 构的潜力.不同主元的原子尺寸不同，相互固溶时 superalloy 会使得局部空间点阵发生改变导致晶格畸变.晶 难熔高嫡合金普遍具有较高的硬度，图11整 格畸变会阻碍位错运动，导致滑移难以进行，从而 理了部分已经报道的难熔高嫡合金的维氏硬度， 提高难熔高嫡合金的变形抗力，固溶强化效果显著 由图可知，绝大部分难熔高嫡合金的维氏硬度均 此外，由于难熔高熵合金由五种及五种以上难熔金 大于哈氏合金与常用的3l6不锈钢，CrTaTio.17VW 属按等原子比或近等原子比组成，扩散时各主元之 合金的维氏硬度甚至接近800HV. 间相互配合扩散，致使新相几乎不会长大，因此常 常会析出纳米相，同样能够提高难熔高嫡合金的 1200 1100 强度和硬度.当制备难熔高嫡合金时冷却速度足 1000 900 够快，跳过品化，有效抑制晶核的形成与长大，获 800 得非晶态难熔高嫡合金，此时合金中没有位错，非 700 600 晶合金的原子结构使得这类合金表现出极高的强 500 度.组成元素是合金展现高强度高硬度的关键因 400 素，如图10所示，讨论了传统高温合金与难熔高 300 200 嫡合金中温度与压缩屈服强度之间的关系.可见 100 0 合金的屈服强度与所处温度成反比，由于组成元 Type of alloys 素不同，下降的速度也各有快慢.AlMoo.sNbTao.sTiZr 图11部分难焙高嫡合金与常用金属的硬度比较.41,5列 具有优异的高温屈服强度，在不同温度下均明显 Fig.11 Comparison of Vickers hardness between several refractory 高于传统镍基高温合金.在AlMoo.NbTao sTiZr和 high-entropy alloys and common metals CrMoo.sNbTao.sTZr合金中，用Al替代Cr元素，使 3.2耐磨性能 得屈服强度升高.在1273K和1473K时，CMoo.5 磨损是材料失效方式之一，是机械失效的重 NbTa.sTiZr合金的屈服强度为546MPa和170MPa, 要方式.材料的磨损通常是多种磨损机制并存的， 而AIMoo.sNbTao.sTiZr合金的屈服强度为745MPa 因此在选择耐磨材料时需根据具体的应用工况目前为止，仅有 W0.5Ni2Co2VMo0.5，W0.5Ni2Co2 VCr0.5 和 W0.5Ni2Co2CrMo0.5 三种难熔高熵合金的 晶体结构以无序 FCC 结构为基体相，并且伴随有 序的 L12 相[40] ，他们是以 W−Ni−Co 为基的高温合 金的衍生体系，添加了 Cr、Mo、V 元素，该类合金 通过真空电弧熔炼制得，具有树枝晶结构. 与早期 制备的 WMoNbTa 和 WMoNbTaV 相比，FCC 结构 基体相比 BCC 结构基体相室温下具有更多的滑移 系，从而产生较大的压缩塑性应变，并且 Ni 元素 具有良好的延展性，能够显著改善合金的韧塑性， 因此该类难熔高熵合金在室温下表现出更好的压 缩塑性. 3    难熔高熵合金的性能 难熔高熵合金作为特种高温合金具有诸多优 异的性能，如高温力学性能以及耐磨耐腐蚀、抗高 温氧化以及耐辐照等功能性能. 3.1    高温力学性能 难熔高熵合金的力学性能与合金成分、相组 成、主元含量以及制备工艺等都有联系，室温下普 遍展现出高强低韧的力学性能，而高温下大部分 展现出高强高韧的力学性能，具备应用于高温结 构的潜力. 不同主元的原子尺寸不同，相互固溶时 会使得局部空间点阵发生改变导致晶格畸变. 晶 格畸变会阻碍位错运动，导致滑移难以进行，从而 提高难熔高熵合金的变形抗力，固溶强化效果显著. 此外，由于难熔高熵合金由五种及五种以上难熔金 属按等原子比或近等原子比组成，扩散时各主元之 间相互配合扩散，致使新相几乎不会长大，因此常 常会析出纳米相，同样能够提高难熔高熵合金的 强度和硬度. 当制备难熔高熵合金时冷却速度足 够快，跳过晶化，有效抑制晶核的形成与长大，获 得非晶态难熔高熵合金，此时合金中没有位错，非 晶合金的原子结构使得这类合金表现出极高的强 度. 组成元素是合金展现高强度高硬度的关键因 素，如图 10 所示[44] ，讨论了传统高温合金与难熔高 熵合金中温度与压缩屈服强度之间的关系. 可见 合金的屈服强度与所处温度成反比，由于组成元 素不同，下降的速度也各有快慢. AlMo0.5NbTa0.5TiZr 具有优异的高温屈服强度，在不同温度下均明显 高于传统镍基高温合金. 在 AlMo0.5NbTa0.5TiZr 和 CrMo0.5NbTa0.5TiZr 合金中，用 Al 替代 Cr 元素，使 得屈服强度升高. 在 1273 K 和 1473 K 时，CrMo0.5 NbTa0.5TiZr 合金的屈服强度为 546 MPa 和 170 MPa， 而 AlMo0.5NbTa0.5TiZr 合金的屈服强度为 745 MPa 和255 MPa，强度增加了36%～50%. Al0.4Hf0.6NbTA0.5 TiZr 和 HfNbTaTiZr 合金中，用 Al 元素部分替换 Hf 元素，室温下的屈服强度几乎翻倍. 在 1473 K 与 1873 K 之间，WMoNbTa 和 WMoNbTaV 合金展现 出优于所有难熔高熵合金的压缩屈服强度 ，在 1873 K 的高温压缩试验下仍具有超过 400 MPa 的 压缩屈服强度，是目前报道的难熔高熵合金中高 温力学性能最优异的两种. 296 0 500 1000 1500 2000 MoNbTaW MoNbTaVW HfNbTaTiZr AlMo0.5NbTa0.5TiZr Al0.4Hf0.6NbTaTiZr CrMo0.5NbTa0.5TiZr NbTiVZr NbTiV2Zr CrNbTiZr CrNbTiVZr Inconel 718 Haynes 230 673 873 1073 1273 Temperature/K Compressive yield strength/MPa 1473 1673 1873 图 10    难熔高熵合金与传统高温合金的压缩屈服强度与温度的关系[44] Fig.10     Relationship  between  the  compressive  yield  strength  and temperature  of  refractory  high-entropy  alloys  and  the  traditional superalloy[44] 难熔高熵合金普遍具有较高的硬度，图 11 整 理了部分已经报道的难熔高熵合金的维氏硬度， 由图可知，绝大部分难熔高熵合金的维氏硬度均 大于哈氏合金与常用的 316 不锈钢，CrTaTi0.17VW 合金的维氏硬度甚至接近 800 HV. 0 100 200 300 400 500 600 700 900 800 1000 1100 1200 CrTaTi0.17VW Cr MoNbTaVW 2 CrTaVW CrMoNbTaVW CrNbTiVZr AlCrMoTi HfNbTaTiVZr HfNbTaTiZr HfNbTaZr NbTiVZr NbTaTiV NbTiV Zr 2 Hastelloy 316 stainless steel MoNbTaVW AlMoTaTiV MoNbTaTiVW MoNbTaW MoNbTiV MoTaTiV CrNbTiZr 17-4PH stainless steel NbTaTiVW NbTaVW Type of alloys Hardness (HV) 图 11    部分难熔高熵合金与常用金属的硬度比较[18, 26, 31, 41, 45−51] Fig.11     Comparison  of  Vickers  hardness  between  several  refractory high-entropy alloys and common metals[18, 26, 31, 41, 45−51] 3.2    耐磨性能 磨损是材料失效方式之一，是机械失效的重 要方式. 材料的磨损通常是多种磨损机制并存的， 因此在选择耐磨材料时需根据具体的应用工况[52] . · 1466 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期