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2026 年第 3 期
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DOI:10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20260366
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现今社会,科技发展迅速,而对材料性能的探索
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也从未停止,尽管碳素结构钢仍是人们使用最为广
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泛的金属材料,但在机械零部件的关键部位,钢结构
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的性能已在很大程度上无法满足实际使用要求。传
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统的碳素结构钢在很长一段时间内很难取得重大突
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破。2004 年,随着叶均蔚等人[ 1 ]提出了高熵合金的
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概念,高熵合金材料进入学者们的视野。该体系是由
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5 种或 5 种以上等原子比或近等原子比的主要元素
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组成的 BCC 和 FCC 结构(图 1),每种元素的原子百
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分比在 5%~35%之间,混合熵大于 1.61R J·(mol·K)-1
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(R 为气体常数)。
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高熵合金的组织与性能受到四大效应的共同影
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响[ 2 ],其中高熵效应使其倾向于形成简单的固溶体
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相,迟滞扩散使得相变进程减缓,晶格畸变在一定程
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度上使其结构的性能发生改变,鸡尾酒效应可通过
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多种元素的复合,使合金获得优异的综合性能;正是
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由于这些特性,高熵合金具有比传统合金更高的强
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度、硬度以及优异的耐蚀、耐磨等性能,这对于高熵
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合金的研究及发展具有重要意义。本文通过介绍常
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用的高熵合金的制备方法,如电弧熔炼法、表面熔覆
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技术和增材制造技术,以及增材制造用粉的制备方
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法,如机械合金化、等离子体旋转电极雾化、等离子
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球化技术,并对高熵合金的应用前景进行展望。
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高熵合金制备及应用研究进展*
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宫书林,李艳春,张 煜,宋美慧,李 岩
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(黑龙江省科学院 高技术研究院,黑龙江 哈尔滨 150000)
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摘 要:本文对高熵合金及其粉体的制备方法、高熵合金的力学性能、耐蚀性和热稳定及抗氧化性进行了
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综述,并对高熵合金的应用前景进行了总结和展望。为进一步丰富高熵合金的制备技术及优化合金性能提供
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了理论依据。
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关键词:高熵合金;增材制造;热等离子球化;力学性能
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中图分类号:TB331 文献标识码:A
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Research progress on the preparation and application of high entropy alloys*
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GONG Shu-lin,LI Yan-chun,ZHANG Yu,SONG Mei-hui,LI Yan
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(Institute of Advanced Technology,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150000,China)
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Abstract:This article reviews the preparation methods of high -entropy alloys and their powders,and the
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mechanical properties, corrosion resistance, thermal stability, and oxidation resistance of high-entropy alloys, and
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summarizes and prospects their application potential. it also provides a theoretical basis for further enriching the
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preparation technologies of high-entropy alloys and optimizing the alloy properties.
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Key words:high entropy alloys; additive manufacturing; thermal plasma spheroidization; mechanical properties
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收稿日期:2025-10-22
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基金项目:黑龙江省省属科研院所科研业务费项目(CZBZ202608001);
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黑龙江科学院所能力提升专项(YSTS2025GJS01)
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作者简介:宫书林(1997-),男,研究实习员,2023 年毕业于黑龙江科
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技大学材料科学与工程专业,硕士研究生,现从事金属增
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材制造方向。
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通信作者:李艳春(1981-),女,硕士,副研究员,研究方向:高熵合金
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复合材料。
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综
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述
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图 1 5 种主元的固溶体模型:BCC 结构(a);FCC 结构(b)
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Fig.1 Solid solution model of five principal components:
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(a)BCC structure;(b)FCC structure
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(a)BCC 结构
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B
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C
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A
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D
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E
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A
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E B
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D
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(b)FCC 结构
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E
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C
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D
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A
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A
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B
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E
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B
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C
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A
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C
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B
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E
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D
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Sum 366 No. 3
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化 学 工 程 师
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Chemical Engineer 2026 年第 3 期
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2026 年第 3 期
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1 高熵合金及其粉体的制备
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1.1 高熵合金的制备
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1.1.1 电弧熔炼法 目前,高熵合金的制备主要采
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用电弧熔炼法,在电能的作用下,电极与物料间通过
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产生的电弧来熔炼金属[ 3 ],该方法的优势在于可使
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各元素充分混合,在熔炼过程中不易氧化,被污染的
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几率更低。然而合金成分复杂多样,且各元素的熔点
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存在差异,因此,在组织中会存在明显的元素偏析,
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需要进一步处理。此方法会存在缩孔、缩松等铸造缺
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陷,组织较为粗大;同时,受熔炼环境的限制,熔炼的
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合金锭形状简单,尺寸较小,难以满足复杂结构及大
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尺寸产品的制备需求,这些也限制了高熵合金在实
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际生产生活中的应用[ 4 ]。
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1.1.2 表面熔覆技术 表面熔覆技术是通过热源对
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涂层粉末的辐照,使其快速熔化与基体形成冶金结
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合,最终获得性能显著优异于基体表面的涂层。高熵
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合金涂层的制备主要有激光熔覆、等离子熔覆等方
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法。在表面改性技术中激光熔覆的应用最为广泛,因
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此,学者们开始将高熵合金材料的高强度、高硬度等
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优异性能与熔覆技术结合,发挥各自的优势[ 5 ]。与电
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弧熔炼制备块体高熵合金材料相比,该方法制备的
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涂层具有组织更均匀、更细小、结构更致密等特点,
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且熔覆层对基体的热影响小,二者的冶金结合性更
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优[ 6 ]。此外,激光熔覆的自动化水平高、工艺参数可
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调数量多、熔覆层缺陷少,激光能量密度越低,涂层
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晶粒尺寸越小,颗粒越细,性能越好[ 7 ]。有学者利用
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氩弧熔覆技术制备了 AlCuFeNiCoSi 高熵合金涂层,
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硬度最高可达 62.5HRC。
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1.1.3 增材制造技术 随着增材制造技术的发展,
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其应用更为广泛,金属增材制造可分为两大类:粉末
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床融合技术(PBF)和直接能量沉积技术(DED),见
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图 2[ 8 ]。这也为高熵合金成形构件的制备提供了新
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的思路,该技术将三维模型进行二维切片处理,以逐
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层堆积的方式制备目标材料[ 8 ]。增材制造理论上可
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实现任意复杂形状材料的成形,实现多构件组成零
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件的一体化制造,进而减少材料的浪费,缩短制备周
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期,具有更灵活的设计,能够进行定制化加工[ 9 ]。同
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时增材制造还具有加热速度和冷却速度快、熔池尺
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寸小的特点[ 10 ],可使高熵合金粉末在极短的时间内
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完成熔化和凝固过程,因此制造的高熵合金晶粒尺
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寸细小、元素分布均匀,强度远高于铸件[ 11 ]。
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1.2 高熵合金粉体的制备
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增材制造所打印出来的零件,其品质和性能取
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决于粉末的性质。如果粉末质量较差,打印过程中就
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会产生气孔、裂纹等缺陷。粉末质量受到球形度、粒
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径大小、粉末流动性、松装密度和振实密度等因素影
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响。机械合金化和雾化法是制备高熵粉末的常用方
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法,其中雾化法包括水雾化法 (WA)、气雾化法
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(GA)、等离子雾化法(PA)及等离子旋转电极雾化法
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(PREP)。
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1.2.1 机械合金化法 机械合金化是通过金属粉末
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在球磨机中高速转动,其与粉末、罐壁之间相互碰
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撞,使得混合粉末发生原子间扩散,进而获得合金化
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粉末的方法[ 12 ],同时也是制备纳米高熵合金的主要
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手段。球磨过程中通过破碎粗大晶粒,优化内部组织
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成分均匀性,从而使其机械性能得到改善。但该方法
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存在机械合金化过程时间长、球形度差、加工过程中
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易引入杂质等问题,不适合大批量制备。
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1.2.2 等离子体旋转电极雾化法 等离子体旋转电
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极雾化法的技术原理见图 3,该方法以等离子炬为
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热源,以金属或合金棒料为自耗电极,棒料在高速旋
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转过程中,其端面熔融金属液流在离心力作用下被
|
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甩出,并在惰性气体中快速冷却凝固为金属粉末。此
|
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过程无需坩埚,且有高纯惰性气体保护,制粉环境洁
|
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净,可获得高纯度金属粉末,适用于高性能粉末的制
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备[ 13 ]。同气雾化工艺相比,其具有工艺参数简单、粉
|
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末表面光滑、制粉效率高等优势。
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宫书林等:高熵合金制备及应用研究进展*
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图 2 金属增材制造示意图
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Fig.2 Schematics of metal additive manufacturing
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(b)直接能量沉积技术
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喷嘴
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送粉
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基体
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三维构件
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送丝
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高能量束
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(激光 / 电子束)
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(a)粉末床融合技术
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粉末床
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高能量束
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(激光 / 电子束)
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熔池
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三维构件
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基体
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宫书林等:高熵合金制备及应用研究进展* 2026 年第 3 期
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1.2.3 热等离子体球化法 热等离子体球化(TPS)
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是利用温度高、能量密度大、传热及冷却速度快的等
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离子体,将粉末颗粒瞬间加热至熔化或半熔化状态,
|
||
借助表面张力收缩成球形,随后快速冷却成球形颗
|
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粒。其优势在于球化过程中颗粒飞行时间长、产品无
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||
污染、操作模式连续、粉末球形度高、气体流速低及
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||
工作功率低等。由于无电极烧损产生的污染,该方法
|
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适用于难熔和高纯粉末球化工艺。通过射频电磁场
|
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相互作用产生等离子体,使粉末熔化并缩聚成球的
|
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技术称为射频等离子体球化。王繁强等人[ 14 ]将机械
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合金化与射频等离子球化相结合制备 WMoTaNbV
|
||
高熵合金粉末,球磨过程中得到单一 BCC 相的高熵
|
||
粉末,而粉末呈扁平状,同时粉末中氧、碳杂质含量
|
||
相应增加,经过球化处理后,其粉末球化形貌及元素
|
||
分析见图 4。粉末中的氧、碳含量显著降低,这是由
|
||
于碳化物经高温分解且与吸附于粉末中的氧反应后
|
||
挥发,从而降低了杂质含量。经等离子体球化后粉末
|
||
具有流动性良好、振实密度高、氧含量低等特点。
|
||
2 高熵合金的性能
|
||
2.1 力学性能
|
||
由于高熵合金中的元素与传统固溶体结构不
|
||
同,无溶剂和溶质之分,同时合金中主元原子半径相
|
||
差很大,使晶格存在显著畸变,因而固溶强化的作用
|
||
明显,进而使涂层具有较高的强度和硬度。这也是采
|
||
用激光作为热源制备的高熵合金具有较高硬度和耐
|
||
磨性的原因之一。激光熔覆技术兼具快速加热与高
|
||
冷却速率的特点,可有效提高形核率,使涂层组织的
|
||
晶粒更为细小。而优化元素的配比并进行适当热处理
|
||
对提高涂层的硬度、耐磨性有一定改善。He 等人[ 15]在
|
||
Q235 钢上制备 FeCoCrNiAlTix 复合涂层,涂层的硬
|
||
度曲线见图 5,x=1 时平均硬度可达到 966.29 HV,
|
||
随 Ti 含量的增加,其摩擦系数和磨损量有所降低,
|
||
耐磨性能得到了改善,主要磨损机理为磨粒磨损。
|
||
Joseph 等人 [ 16 ] 采用 DLF 制备 AlxCoCrFeNi 高熵合
|
||
金,晶体结构发生 FCC→FCC+BCC→BCC 的转变;
|
||
随着 Al 浓度的增加,体系的强度明显提升,其中
|
||
Al0.85 强度最高,这是由于自旋分解形成的密集沉淀
|
||
导致沉淀硬化效应所致。
|
||
熔覆过程中,涂层会析出纳米晶和金属间化合
|
||
物,产生弥散强化效应。与激光热源具有加热快、冷
|
||
却快的工艺特点结合,可达到协同增效的效果,进一
|
||
步提升涂层的综合性能。Guo 等人[ 17 ]在 904L 钢表面
|
||
通过原位析出 TiN 颗粒,优化了 CoCr2FeNiTi 复合涂
|
||
层,结果表明,随着 Ti 元素的增加,涂层由不规则的
|
||
树枝状、粒状的 TiN 以及少量 Laves 相组成,图 6 为
|
||
CoCr2FeNiTi0.5 涂层的 TEM 分析结果,可以看出 TiN
|
||
颗粒相与基体形成冶金结合,结合区域无微裂缝或
|
||
孔洞;较大原子半径的 Ti 原子溶解到固溶体中,引
|
||
发晶格畸变,进而提高了涂层的硬度。
|
||
图 4 粉末球化形貌和元素分析
|
||
Fig.4 Morphologies of powder after spheroidization
|
||
and element analysis
|
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100μm 20μm
|
||
20μm
|
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W Mo Ta
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Nb V 20μm
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元素 组分 /at.%
|
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W
|
||
Mo
|
||
Ta
|
||
Nb
|
||
V
|
||
14.98
|
||
16.99
|
||
26.39
|
||
24.30
|
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17.35
|
||
图 3 PREP 技术原理
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Fig.3 Schematic diagram of PREP technology
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电机
|
||
旋转电极(阳极)
|
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Ar/He 气
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||
飞溅熔滴
|
||
气
|
||
Cu(阴极)
|
||
圆形喷嘴 熔池
|
||
等离子弧
|
||
附加 Ar/He 气流
|
||
防火海绵
|
||
烧杯
|
||
粉末
|
||
真空泵
|
||
图 5 FeCoCrNiAlTix 涂层的显微硬度
|
||
Fig.5 Microhardness of FeCoCrNiAlTix coatings
|
||
1100
|
||
1000
|
||
900
|
||
800
|
||
700
|
||
600
|
||
500
|
||
400
|
||
300
|
||
200
|
||
100
|
||
0
|
||
显
|
||
微
|
||
硬
|
||
度 /H
|
||
V
|
||
0 200 400 600 800 1000 1200
|
||
距离 /μm
|
||
x=1
|
||
x=0.75
|
||
x=0.50
|
||
x=0.25
|
||
x=0
|
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2.2 耐蚀性
|
||
2.2.1 合金元素对高熵合金耐蚀性的影响 我国每
|
||
年因腐蚀而造成的经济损失占比很大,制备具有更
|
||
优异的耐蚀材料、延长结构的使用寿命具有重要意
|
||
义。与传统的合金不同,高熵合金基本由单相或两相
|
||
组成,一般不存在多相组成。传统合金相组成较为复
|
||
杂,不同相之间存在电位差,在导电环境中易形成微
|
||
电池,从而使材料的耐蚀性能降低。采用激光熔覆制
|
||
备高熵合金涂层时,通常微量元素的加入或调节某
|
||
种元素加入的量,是提高耐蚀性的主要手段。设计高
|
||
熵合金粉末成分时,通常会加入如 Ni、Cr、Mo、Co、Ti
|
||
等耐蚀元素,使高熵合金在 HNO3、H2SO4、NaOH 和
|
||
NaCl 等多种腐蚀介质中能表现出良好的耐腐蚀性
|
||
能[ 18 ]。杨海欧等人[ 19 ]在 3.5%NaCl 溶液中,研究了单
|
||
相 CoCrFeNi 高熵合金中各组成元素对合金耐腐蚀
|
||
性能的影响。图 7 为合金体系在 3.5%NaCl 溶液中
|
||
的动电位极化曲线,当 Co、Cr 含量固定,增加 Fe 含
|
||
量并减少 Ni 含量,可降低电流密度,提升耐蚀性;当
|
||
Cr 含量不变,减少 Co、增加 Fe 及 Ni 含量时,自腐蚀
|
||
电位提高,腐蚀倾向降低。
|
||
2.2.2 激光热源对高熵合金耐蚀性的影响 高熵合
|
||
金具有高混合熵效应,同时激光熔覆具有快热快冷
|
||
的特点,在二者协同作用下,制备的涂层易于形成致
|
||
密均匀的简单组织,晶界处的杂质较少,且会改善成
|
||
分偏析,从而抑制微电池的形成,减弱腐蚀倾向,耐
|
||
腐蚀性能优于传统合金。库岩涛等人[ 20 ]采用选区激
|
||
光熔化技术,制备了不同工艺参数的 AlCoCrFeNi2.1
|
||
共晶高熵合金,图 8 为试样微观组织的 TEM 形貌,
|
||
涂层以层片状为主,少部分存在胞状,胞内为 B2
|
||
相,胞壁为 L12 相。当激光能量密度为 180J·mm-3
|
||
时,试样耐蚀性较好。这是因为纳米级层片更细小,
|
||
可形成致密的钝化膜,阻碍 Cl等腐蚀性离子侵蚀涂
|
||
层表面。该钝化膜与基体紧密结合,能有效抑制微电
|
||
池腐蚀,增强抗腐蚀能力。
|
||
2.2.3 热处理对高熵合金耐蚀性的影响 高熵合金
|
||
在制备过程中,会出现残余应力、元素偏析、气孔等
|
||
缺陷,这些缺陷会影响高熵合金的耐蚀性,通过适当
|
||
的热处理工艺,可调整节熵合金的化学成分分布、均
|
||
匀组织、细化晶粒、消除内应力等[ 21 ],进而改善缺陷
|
||
带来的不利影响,提升高熵合金的耐蚀性能。蒋淑英
|
||
等人[ 22 ] 制备 AlCoCrFeNi 高熵合金并进行退火处
|
||
理,对比铸态与退火态高熵合金的耐腐蚀性能发现,
|
||
2.5
|
||
2.0
|
||
1.5
|
||
1.0
|
||
0.5
|
||
0.0
|
||
-0.5
|
||
-1.0
|
||
E(vsSCE)/V
|
||
Co20Cr20Fe20Ni4(0 1)
|
||
Co20Cr20Fe30Ni30(2)
|
||
Co20Cr20Fe40Ni20(3)
|
||
Co26.67Cr20Fe26.67Ni26.6(7 4)
|
||
Co30Cr20Fe20Ni30(5)
|
||
Co30Cr20Fe30Ni20(6)
|
||
Co40Cr20Fe20Ni20(7)
|
||
(a)动电位极化曲线
|
||
10-5 10-4 10-3 10-210-1 100 101 102 103 104 105
|
||
i/A·cm-2
|
||
图 7 CoaCr20FebNi80-a-b 体系在 3.5%NaCl 溶液中
|
||
的动电位极化曲线
|
||
Fig.7 Potentiodynamic polarization curves
|
||
of CoaCr20FebNi80-a-b system in 3.5%NaCl solution
|
||
1.4 (b)图(a)局部放大图
|
||
1.2
|
||
1.0
|
||
0.8
|
||
0.6
|
||
0.4
|
||
0.2
|
||
0.0
|
||
-0.2
|
||
E(vsSCE)/V
|
||
2
|
||
6
|
||
7
|
||
5
|
||
1
|
||
4
|
||
3
|
||
10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104
|
||
i/A·cm-2
|
||
图 8 微观组织的 TEM 图像
|
||
Fig.8 TEM micrographs of the dual-phase structure
|
||
(a)横向双相结构
|
||
500nm
|
||
(b)纵向双相结构
|
||
500nm
|
||
BCC/B
|
||
FC
|
||
2
|
||
C/L12
|
||
FCC/L1
|
||
B
|
||
2
|
||
CC/B2
|
||
宫书林等:高熵合金制备及应用研究进展*
|
||
图 6 CoCr2FeNiTi0.5 涂层的透射图像
|
||
Fig.6 TEM micrograph of CoCr2FeNiTi0.5 coating
|
||
TiN
|
||
(a)微观结构
|
||
1μm
|
||
(b)TiN 颗粒衍射花样
|
||
(022)
|
||
(200) (400)
|
||
(022)
|
||
2 nm
|
||
(c)高分辨透射形貌
|
||
(111)
|
||
2nm
|
||
(d)傅里叶变换后的衍射花样
|
||
FTT
|
||
(111)
|
||
(020)
|
||
(000)(111)
|
||
(111)
|
||
Z=[101]
|
||
1
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在3.5%NaCl 溶液中,1000℃退火态的合金耐蚀性最
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好;在 0.5mol·L-1 H2SO4 溶液中,各状态合金均出现
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钝化现象,在 1000℃退火时电流密度最小,耐蚀性
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最优。Li 等人[ 23 ]制备了 FeCoCrNiMn 高熵合金涂层,
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经过 800℃退火后发现,Mn 扩散至晶内,缓解了其
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在晶界处偏析,使元素分布更均匀,通过减少局部腐
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蚀微电池,使得钝化膜成分更稳定。同时钝化膜中
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Cr、Ni、Co 的富集也增强了膜的保护性能。
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2.3 热稳定及抗氧化性能
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高熵合金在高温下依然能维持相结构与性能稳
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定,表现出优异的抗高温氧化性能,这主要归因于迟
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滞扩散效应降低了其扩散系数,即便在高温下,扩散
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系数仍较低。为提升高熵合金的高温抗氧化性能,通
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常添加 W、Ta、Zr、Si、Al 等合金元素,其加入会形成
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致密氧化膜,有效防止氧的扩散,从而改善涂层的抗
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氧化性能。Wang 等人[ 24 ]对 NixCo0.6Fe0.2CrySizAlTi0.2 涂
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层在 1100℃保温 10h 处理后,涂层硬度仍然很高,
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最高可达 964 HV。
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3 高熵合金应用
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由于高熵合金具有优异的力学性能、耐蚀性能
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及耐高温性能,因此,在车辆装备领域、耐磨刀具材
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料领域、焊接领域、生物医用材料领域、核工业领域
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等均具有潜在应用价值。
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3.1 车辆装备领域
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在车辆装备领域,高熵合金具有一定应用潜力。
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可采用轻质高熵合金材料替代传统的汽车所需的结
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构材料(如轿车结构板、轴承用钢等),同时也可替换
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零部件材料(如曲轴、变速箱等),发挥其轻量且高强
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度的优势,显著提升车辆的可靠性,同时满足轻量化
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使用要求[ 25 ]。
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3.2 耐磨刀具领域
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制备各类耐磨涂层或刀具材料时,传统合金不
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能满足高速切削的使用需求。为提升传统刀具材料
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在高速切削下的性能,可通过设计高熔点的高熵合
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金涂层成分,利用激光熔覆技术对传统刀具材料进
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行改性,使刀具在高速切削下仍具有优异的耐磨性、
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很高的硬度、良好热稳定性、抗高温软化性以及优
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良的断屑效果,进而提高被加工材料的表面光洁
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度[ 26 ]。
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3.3 焊接领域
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高熵合金在焊接领域发挥着独特的作用,可作
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为焊接填充材料,用作两种合金之间的中间层,获得
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以固溶体相为主的焊缝,防止金属间形成化合物,通
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过固溶强化来提高焊接接头的使用强度[ 27 ];同时,
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因其具有耐高温性能、较高的抗压强度以及耐腐蚀
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性能,常作为高温材料应用于耐火钢结构骨架及高
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温设备中。
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3.4 生物医用领域
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作为医用材料,具有生物相容性的无毒或低毒
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元素是最重要的条件。根据不同元素在医用材料中
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的作用,适时调整医用高熵合金材料元素成分并进
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行合金化设计,从生物安全性、生物相容性角度出
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发,改善传统材料引发的不良反应,在临床实践方面
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具有广阔的应用前景[ 28 ]。
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3.5 核工业领域
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含有高熔点难熔金属元素的高熵合金,在核工
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业领域具有巨大的潜在价值,其不仅具有良好的抗
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辐照损伤能力,还展现出优异的高温强度及可调控
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的耐蚀性。这些突出性能是核反应堆结构材料安全
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服役的重要保障[ 29 ]。
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4 总结与展望
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高熵合金与传统合金相比具有更优异的性能,
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成为近些年材料领域的研究热点。然而,采用传统的
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电弧熔炼法制备高熵合金,易产生成分偏析、缩孔、
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缩松等铸造缺陷,且铸造的合金形状简单、尺寸较
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小,难以制备结构复杂、尺寸较大的产品;而以激光
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为热源的表面改性技术,可使涂层组织更均匀细小、
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结构致密,且激光熔覆的自动化水平高、工艺参数可
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调范围广、熔覆层缺陷少。
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增材制造技术的发展为高熵合金的制备提供了
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新思路。增材制造理论上可实现对任意复杂形状材
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料的成形,实现多构件组成零件的一体化成形,进而
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减少材料的浪费,缩短制备周期,具有更灵活的设计,
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能够进行定制加工,制备出的构件性能优于铸件。
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目前,学者们通过调控工艺参数、优化成分设
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计,对打印件的质量及性能优化开展了大量基础性
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研究,然而就合金粉末质量对打印件的影响研究较
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少,对此,通过机械合金化或等离子体旋转电极雾化
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等制得的粉末,经等离子球化实现细化球化,进而优
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化合金粉末的质量、提高打印件性能,是未来较为广
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泛的研究方向;另一方面,对高熵合金在严苛的服役
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环境下的应用研究较少,因此,可结合计算机模拟技
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术,对其在严苛环境中的服役情况进行预测,进一步
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拓宽材料的应用范围。
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|
||
参 考 文 献
|
||
[1] Ye J W, Chen S K, Lin S J, et al. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: Novel alloy design concepts
|
||
and outcomes[J].Advanced Engineering Materials,2004,6(5):299-
|
||
303.
|
||
[2] Owen L R, Jones N G. Lattice distortions in high-entropy alloys[J].
|
||
Journal of Materials Research, 2018, 33(19): 2954-2969.
|
||
[3] 赵林飞, 李慧, 梁精龙. 高熵合金制备工艺的研究进展[J]. 腐蚀
|
||
与防护, 2021, 42(7): 42-47.
|
||
[4] 高绪杰, 郭娜娜, 朱光明, 等. 激光熔覆制备高熵合金涂层的研
|
||
究进展[J]. 表面技术, 2019, 48(6): 107-117.
|
||
[5] 王永东, 宫书林, 汤明日, 等. 激光熔覆 Fe 基 C-Ti-W 复合涂层
|
||
的实验研究[J]. 黑龙江科技大学学报, 2021, 31(6): 719-724.
|
||
[6] Muvvala G, Karmakar P D, Nath K A. In-process detection of microstructural changes in laser cladding of in-situ Inconel 718/TiC
|
||
metal matrix composite coating[J]. Journal of Alloys and Compounds,
|
||
2018, 740: 545-558.
|
||
[7] Sun S, Fu H, Ping X, et al. Effect of CeO2 addition on microstructure
|
||
and mechanical properties of in-situ(Ti, Nb)C /Ni coating[J]. Surface & Coatings Technology, 2018, 359: 300-313.
|
||
[8] Liu Z Y, Zhao D D, Wang P, et al. Additive manufacturing of metals:
|
||
Microstructure evolution and multistage control[J]. Journal of Materials Science and Technology, 2022, 100(5): 224-236.
|
||
[9] Blakey-Milner B, Gradl P, Snedden G, et al. Metal additive manufacturing in aerospace: A review[J]. Materials and Design, 2021,
|
||
209: 110008.
|
||
[10] Yang X G, Zhou Y, Xi S Q, et al. Additively manufactured fine
|
||
grained Ni6Cr4WFe9Ti high entropy alloys with high strength and
|
||
ductility[J]. Materials Science and Engineering: A, 2019, 767:
|
||
138394.
|
||
[11] Park J M, Choe J, Kim J G, et al. Superior tensile properties of 1%
|
||
C-CoCrFeMnNi high-entropy alloy additively manufactured by
|
||
selective laser melting[J]. Materials Research Letters, 2020, 8(1):
|
||
1-7.
|
||
[12] 王咏奇, 李安敏, 韦善军. 高熵合金的制备方法研究现状[J].
|
||
信息记录材料, 2021, 22(5): 14-17.
|
||
[13] 李岩, 宋美慧, 张煜, 等. 等离子旋转电极法制备 3D 打印用
|
||
GH3536 高温合金球形粉末[J]. 化学工程师, 2021, 35(10):
|
||
1-4.
|
||
[14] 王繁强, 施麒, 刘辛, 等. 机械合金化 - 射频等离子球化制备
|
||
WMoTaNbV 难熔高熵合金球形粉末[J]. 稀有金属材料与工
|
||
程, 2024, 53(12): 3428-3436.
|
||
[15] He B, Zhang N, Lin D, et al. The phase evolution and property of
|
||
FeCoCrNiAlTix high-entropy alloying coatings on Q235 via laser
|
||
cladding[J]. Coatings, 2017, 7(10): 157-165.
|
||
[16] Jithin J, Tom J, Xinhua W, et al. Comparative study of the microstructures and mechanical properties of direct laser fabricated
|
||
and arc-melted AlxCoCrFeNi high entropy alloys[J]. Materials
|
||
Science and Engineering: A, 2015, 633: 184-193.
|
||
[17] Guo Y X, Shang X J, Liu Q B. Microstructure and properties of
|
||
in-situ TiN reinforced laser cladding CoCr2FeNiTix high-entropy
|
||
alloy composite coatings[J]. Surface and Coatings Technology, 2018,
|
||
344: 353-358.
|
||
[18] Shang C, Axinte E, Sun J, et al. CoCrFeN(i W1-xMo)x high-entropy
|
||
alloy coatings with excellent mechanical properties and corrosion
|
||
resistance prepared by mechanical alloying and hot-pressing sintering[J]. Materials and Design, 2017, 117: 193-202.
|
||
[19] 杨海欧, 尚旭亮, 王理林, 等. 单相 CoCrFeNi 高熵合金的组成
|
||
元素对其在 NaCl 溶液中的耐蚀性能的影响[J]. 金属学报,
|
||
2018, 54(6): 905-910.
|
||
[20] 库岩涛, 邱贺方, 袁晓静, 等. 选区激光熔化技术处理 AlCoCrFeNi2.1 共晶高熵合金的力学性能及耐腐蚀性能[J]. 火箭军工
|
||
程大学学报, 2024, 38(6): 105-115.
|
||
[21] 盛颖航, 王凯, 高鹏, 等. 高熵合金耐腐蚀性能研究现状与展望
|
||
[J].材料保护, 2024, 57(12): 53-66.
|
||
[22] 蒋淑英, 林志峰, 孙永兴. AlCoCrFeNi 高熵合金铸态与退火态
|
||
的耐蚀性[J]. 稀有金属材料与工程, 2018, 47(10): 3191-3196.
|
||
[23] Li R X, Kong D C, He K T, et al. Improved passivation ability via
|
||
tuning dislocation cell substructures for FeCoCrNiMn high-entropy
|
||
alloy fabricated by laser powder bed fusion[J]. Applied Surface
|
||
Science, 2023, 621: 156856.
|
||
[24] Wang L M, Chen C C, Yeh J W, et al. The microstructure and
|
||
strengthening mechanism of thermal spray coating NixCo0.6Fe0.2CrySizAlTi0.2 high-entropy alloys[J]. Materials Chemistry and Physics,
|
||
2011, 126(3): 880-885.
|
||
[25] 柳建, 郭煜, 蔡志海, 等. 轻质高熵合金在车辆装备中的应用前
|
||
景[J]. 特种铸造及有色合金, 2021, 41(7): 849-852.
|
||
[26] 薄盛宏, 刘其斌. 刀具表面激光熔覆高熵合金涂层的研究进展
|
||
[J]. 应用激光, 2022, 42(5): 20-30.
|
||
[27] 张秉刚, 于涛, 王厚勤, 等. 高熵合金在焊接领域的应用研究现
|
||
状[J]. 航空材料学报, 2022, 42(5): 1-14.
|
||
[28] 刘吉奎, 张香云, 袁子洲. 医用钛系高熵合金的设计与进展
|
||
[J]. 材料科学与工程学报, 2021, 39(6): 1061-1064.
|
||
[29] 张平, 蒋丽, 杨金学, 等. 核用难熔高熵合金的研究进展[J]. 材
|
||
料导报, 2022, 36(14): 5-26.
|
||
宫书林等:高熵合金制备及应用研究进展* 71
|