近年來，對具有優異機械性能和耐氫脆性的新型結構金屬合金的需求日益增加，導致對新合金尤其是高熵合金（HEA）的研究越來越多。首個開發出的HEA具有約600MPa的強度，熱加工能夠進一步增強其強度。大多數HEA是由四種元素以上組成，具有fcc結構，由于局部區域的變化，具有不同能量的位置對氫擴散具有較大阻力。金屬和合金對氫脆的敏感性與微觀結構以及原子進入和遷移到其晶格密切相關。奧氏體不銹鋼因其低的氫擴散率而被稱為最抗氫脆鋼材。因此，富含Fe、Mn和Ni(具有fcc結構)的HEAs是極有前途的抗脆性金屬合金。

巴西里約熱內盧聯邦大學的研究人員制備了Fe20 Mn20 Ni20 Co20 Cr20和Fe22 Mn40 Ni30 Co6 Cr2兩種HEAs，探討了氫擴散率與微觀組織之間的相互作用。相關論文以題為“Effect of alloying elements on the hydrogen diffusion and trapping in high entropy alloys”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113957

本文中Fe20 Mn20 Ni20 Co20 Cr20和Fe22 Mn40 Ni30 Co6 Cr2兩種HEAs均通過氬氣環境下電弧熔煉制備，通過Thermo-Calc軟件計算凝固過程中存在的析出相，合金凝固后進行900℃×1h均質處理，再進行軋制，厚度減少90%。

通過相圖可以看出兩種HEA凝固后具有fcc結構，隨著溫度降低，兩種合金都可能會形成σ相，在非等摩爾合金中，該第二相的形成溫度與等摩爾合金相比更低。熔煉時由于水冷銅坩堝冷卻較快，所以抑制了低溫相的形成。兩種合金微觀組織均呈現出大量退火孿晶的完全再結晶等軸晶粒。等摩爾合金的平均晶粒尺寸約10μm，非等摩爾合金的平均晶粒尺寸約50μm。

圖1 兩種高熵合金的相圖、微觀結構和XRD結果比較

圖2 不同溫度對高熵合金氫擴散率的影響

圖3 高熵合金的熱解吸光譜結果

研究發現非等摩爾合金的氫擴散率比等摩爾合金大3個數量級，等摩爾合金的氫擴散率與奧氏體不銹鋼相當。發現H的擴散取決于Cr的濃度，Ni在保證fcc結構中起重要作用，對H擴散的影響較低，盡管兩種合金的晶格參數非常接近，但是H擴散率隨Cr濃度的增加而大大降低。

圖4 所研究的六個系統的氫原子領域

圖5 某些鋼的Cr/Ni比值與氫擴散率的關系示意圖

本文研究了Fe20 Mn20 Ni20 Co20 Cr20和Fe22 Mn40 Ni30 Co6 Cr2兩種HEAs中元素含量對氫擴散和捕獲的影響，氫擴散率隨溫度（300-550℃）而變化，遵循菲克第二定律。本文為高熵合金的設計提供了理論基礎。