在現(xiàn)代能源工業(yè)和航空航天工程中，迫切需要具有突出高溫性能的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料來提高能源效率和可靠性。高熵合金的多主元設(shè)計(jì)策略為更優(yōu)性能組合提供了前所未有的可能性。其中，多組分L1₂沉淀強(qiáng)化的塊狀高熵合金在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域引起了廣泛的興趣。例如，將具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性的多組分L1₂沉淀顆粒與延展性面心立方基體結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)鎳基和鈷基高溫合金的綜合機(jī)械性能。然而，與大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料一樣，多晶結(jié)構(gòu)的高熵合金也面臨著嚴(yán)重的中溫脆化以及高溫下快速軟化和氧化問題，這極大地限制了其在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用。值得注意的是，單晶的合成的方法提供了一條有效的途徑來消除晶界的不利影響，這有望大大提高合金的耐溫能力。然而，目前高熵合金研究主要局限于多晶結(jié)構(gòu)，對(duì)單晶高熵合金及其性能的研究還有所欠缺。

基于此難題，香港城市大學(xué)楊濤等研究者設(shè)計(jì)了一種基于 Co-Ni-Al-Ta-Cr-Ti體系的新型單晶沉淀強(qiáng)化高熵合金，在1250度的高溫處理后仍然維持了高體積分?jǐn)?shù)的多組分L1₂析出顆粒，并顯示出了非常優(yōu)異的機(jī)械性能和抗氧化性能。相關(guān)成果以“A novel single-crystal L1₂-strengthened Co-rich high-entropy alloy with excellent high-temperature strength and antioxidant property”為題，于2023年02月01日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Journal of Materials Research and Technology》上。論文通訊作者為香港城市大學(xué)楊濤教授，第一作者為博士生肖維城和博士后劉少飛。合作者包括香港城市大學(xué)開執(zhí)中教授，哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙怡潞教授，劉興軍教授等。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785423001849?via%3Dihub

圖1. (a)沿單晶高熵合金軸向截取的拉伸樣品示意圖。(b)和(c)拉伸樣品的頂面和軸向面的EBSD圖像。(d)和(e)顯示高密度納米沉淀的SEM圖像。(f)L1₂沉淀顆粒直徑直方圖。

圖2. (a)暗場(chǎng)TEM圖像。(b)基質(zhì)和顆粒之間界面的HR-TEM圖像。(c)樣品的STEM-EDX元素分布信息。

圖3. (a)樣品在25、800、900和1000°C下測(cè)試的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線。(b)與其他單晶鈷基高溫合金的屈服強(qiáng)度的比較。

圖4. (a)合金在1000°C下氧化100h后的橫截面STEM圖像和相應(yīng)的元素分布，(b)-(d)STEM中相應(yīng)區(qū)域的HR-TEM圖像。

本文設(shè)計(jì)的一種新型L1₂析出強(qiáng)化單晶高熵合金在高溫下表現(xiàn)出拉伸性能和抗氧化性能的完美結(jié)合。優(yōu)異的機(jī)械性能歸因于高體積分?jǐn)?shù)的多組分L1₂沉淀顆粒和晶界的缺失。此外，在各種元素的共同作用下形成的連續(xù)氧化層，即使在1000℃的高溫下也能有效保護(hù)合金免受嚴(yán)重氧化。該研究有望為未來開發(fā)高溫結(jié)構(gòu)材料提供一種可靠范例。