由于受到越來(lái)越嚴(yán)苛的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)約束，火力發(fā)電廠在如何減少溫室氣體排放同時(shí)提高運(yùn)行效率上面臨巨大挑戰(zhàn)。由于發(fā)電效率取決于運(yùn)行蒸汽溫度、壓力和時(shí)長(zhǎng)，因此提高發(fā)電核心部件用結(jié)構(gòu)材料的蠕變性能尤為重要。然而，由于商用鐵素體鋼在較高溫度下的抗蠕變能力有限，由其制造的鍋爐、蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)只能在893 K以下的溫度下運(yùn)行，極大地限制了發(fā)電效率的提升。

高熵合金是近年來(lái)一種備受關(guān)注的新型合金。高熵合金在極端環(huán)境下具有優(yōu)異的性能，例如，顯著的高溫強(qiáng)度、抗輻射和抗氧化能力。并且，高熵合金廣闊的成分調(diào)節(jié)空間為開(kāi)發(fā)具有不同性能和目標(biāo)屬性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料帶來(lái)了巨大的機(jī)會(huì)。根據(jù)文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，具有面心立方結(jié)構(gòu)的高熵合金因其成本低、抗氧化和耐腐蝕性?xún)?yōu)異、微觀結(jié)構(gòu)可調(diào)以及高溫強(qiáng)度高被認(rèn)為是抗蠕變合金設(shè)計(jì)的最有潛力的候選材料。然而，目前針對(duì)高熵合金在高溫蠕變下的研究多局限于單相合金，在析出相對(duì)合金的蠕變性能及變形機(jī)制的影響研究上尚不全面。

煙臺(tái)大學(xué)陳淑英副教授聯(lián)合美國(guó)田納西大學(xué)和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo)研究了Al0.3CoCrFeNi合金在973-1033 K條件下的蠕變行為。該合金在高溫長(zhǎng)時(shí)加載條件下展現(xiàn)出極其優(yōu)異的耐蠕變性，比如最小蠕變率比已報(bào)道的高熵合金和部分傳統(tǒng)合金低至1-4個(gè)數(shù)量級(jí)。研究發(fā)現(xiàn)，單相FCC Al0.3CoCrFeNi固溶體合金在長(zhǎng)時(shí)蠕變中產(chǎn)生外應(yīng)力驅(qū)動(dòng)內(nèi)稟自生沉淀強(qiáng)化相，其對(duì)合金的變形機(jī)制和蠕變性能具有關(guān)鍵影響。據(jù)此，創(chuàng)新性地提出利用沉淀強(qiáng)化相大幅提高合金的蠕變強(qiáng)度。上述優(yōu)異的高溫蠕變性能得益于在長(zhǎng)時(shí)間高溫加載時(shí)，初始的單相面心立方結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間高溫加載環(huán)境下形成了大量L12與B2析出相，在合金的高溫變形中起到了顯著的強(qiáng)化左右，延長(zhǎng)了蠕變壽命，并大大降低了高溫蠕變率。相關(guān)論文以題為：“Extraordinary creep resistance in a non-equiatomic high-entropy alloy from the optimum solid-solution strengthening and stress-assisted precipitation process”發(fā)表在金屬頂刊《Acta Materialia》。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118600

如下圖所示，在973K下，本研究對(duì)Al0.3CoCrFeNi與其他已報(bào)道的部分高熵合金和傳統(tǒng)合金的最小蠕變率進(jìn)行了比較。研究表明Al0.3CoCrFeNi合金表現(xiàn)出極其優(yōu)越的耐高溫蠕變性，最小蠕變率比已報(bào)道合金低1-4個(gè)數(shù)量級(jí)。這種優(yōu)異的高溫性能歸功于顯著的固溶強(qiáng)化，低的層錯(cuò)能與蠕變過(guò)程中不斷產(chǎn)生的L12與B2相引起的析出強(qiáng)化作用的最佳結(jié)合效果。

下圖給出了Al0.3CoCrFeNi合金在不同蠕變時(shí)間下對(duì)應(yīng)的三維原子探針結(jié)果。從圖中可看出富Cr和富Ni、Al元素的析出相，與掃描電鏡的結(jié)果是一致的。尤其是隨著蠕變過(guò)程的延長(zhǎng)，富Ni與Al元素的析出相呈現(xiàn)出明顯的含量變化，

結(jié)合激活能計(jì)算和透射電鏡表征的結(jié)果分析表明在973K下蠕變變形早期主要是L12析出相-位錯(cuò)和位錯(cuò)滑移。當(dāng)蠕變進(jìn)行到晚期時(shí)，產(chǎn)生了越來(lái)越多的B2析出相，并取代L12作為可移動(dòng)位錯(cuò)滑移的主要障礙。與其他高熵合金和傳統(tǒng)合金相比， Al0.3CoCrFeNi 合金具有顯著降低的最小蠕變率、高應(yīng)力指數(shù)和高的激活能，表明高溫性能得到顯著改善與提高。這是由于它們顯著的固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和基體的低層錯(cuò)能的綜合作用所引起的。這種應(yīng)力選擇析出過(guò)程為我們未來(lái)設(shè)計(jì)抗蠕變材料提供了一種新策略。