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粉末冶金高熵合金將獲更多用武之地

2026-04-16 04:39:25

　　本報實習記者趙萍

　　“高熵合金具有高強度、高硬度、磁特性等性能，在耐腐蝕、耐高溫、耐磨性等方麵具有極好的應用效果，可用於焊接材料、儲氫材料、耐蝕材料等的製造。”7月25日，中南大學粉末冶金研究院高溫結構材料研究所所長劉彬在由中國有色金屬學會主辦、中南大學承辦的有色金屬雲課堂上介紹了粉末冶金高熵合金的性能特點、製備方法和成形方法等，並對粉末冶金高熵合金的發展和應用進行了展望。

　　高熵合金可能具有理想的優異性能

　　zaichuantonggainianzhong，hejinzhongjiarudejinshuzhongleiyueduozeyuerongyicuihua，ranerhanyouduozhongjinshudegaoshanghejinquebuhuicuihua。xuejierenwei，gaoshanghejinkenengjuyouhenduolixiangdeyouyixingneng。yinci，gaoshanghejinzuoweiyizhongxincailiaozaicailiaokexuejigongchenglingyushoudaodaliangguanzhuhegaoduzhongshi。

　　劉彬介紹，高熵合金具有四大核心效應，包括熱力學上的高熵效應——單相固溶體結構、晶體結構上的嚴重晶格畸變效應、動力學上的擴散遲滯效應、雞尾酒效應——優異的綜合性能。比如，晶格畸變提高了高熵合金的強度，使其具備優異的力學性能；納米孿生誘發高熵合金優異的斷裂韌性，在低溫環境中具備極好的應用潛力；youyidegaowenlixuexingnenghekuosanchizhixiaoyingdaozhigaoshanghejinzaigaowenxiajiegouwending。tongshi，yanjiufaxian，gaoshanghejinzaigaojiliangfuzhaotiaojianxiajiegouwending，bingjuyoudiqiewendingderepengzhanglv、較低的熱導率和較好的超導性能。此外，高熵合金具有優異的耐腐蝕性能，在高濃度硫酸、鹽酸、硝酸等腐蝕溶液環境中，較傳統不鏽鋼更耐蝕。

　　“目前，高熵合金研究最多的是3D過渡族高熵合金（Fe、Co、Cr、Ni、Mn等）和難熔係列高熵合金（W、Mo、Ta、Nb、V等）。”劉彬說。

　　5種高熵合金粉末製備方法

　　近(jin)年(nian)來(lai)，隨(sui)著(zhe)增(zeng)材(cai)製(zhi)造(zao)等(deng)相(xiang)關(guan)技(ji)術(shu)逐(zhu)漸(jian)趨(qu)於(yu)成(cheng)熟(shu)，粉(fen)末(mo)冶(ye)金(jin)高(gao)熵(shang)合(he)金(jin)逐(zhu)漸(jian)進(jin)入(ru)學(xue)界(jie)和(he)業(ye)界(jie)的(de)研(yan)究(jiu)視(shi)野(ye)。相(xiang)較(jiao)於(yu)傳(chuan)統(tong)鑄(zhu)造(zao)高(gao)熵(shang)合(he)金(jin)，粉(fen)末(mo)冶(ye)金(jin)高(gao)熵(shang)合(he)金(jin)可(ke)以(yi)將(jiang)高(gao)熵(shang)合(he)金(jin)的(de)性(xing)能(neng)優(you)勢(shi)更(geng)好(hao)地(di)發(fa)揮(hui)出(chu)來(lai)，在(zai)不(bu)同(tong)領(ling)域(yu)實(shi)現(xian)更(geng)多(duo)可(ke)能(neng)。

　　劉彬介紹，相較於傳統鑄造高熵合金，粉末冶金高熵合金在組織結構上容易獲得成分均勻、組織細小的合金材料，可製備高熔點材料（包括鎢基耐輻照合金、難熔高熵高溫構件、高熵硬質合金等）、高性能塗層（包括超硬、耐磨、耐輻照、耐腐蝕等）等，也可通過增材製造技術（激光送粉法LMDF、選區激光熔化SLM、電子束粉床法EBM）製備複雜構件。此外，通過近淨成形技術可實現高熵合金的低成本製備，破解高熵合金製備成本高的難題，推動高熵合金的快速應用。

　　“目前，高熵合金特種粉末主要有5種製備方法。”劉彬介紹。第一種是機械合金化（MA）法，金屬或合金粉末在高性能球磨機中通過粉末顆粒與磨球長時間的激烈衝擊、碰撞，使粉末顆粒反複產生冷焊、斷裂，導致粉末顆粒中原子擴散，從而獲得合金化粉末。“這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)幾(ji)乎(hu)適(shi)用(yong)於(yu)所(suo)有(you)高(gao)熵(shang)合(he)金(jin)，但(dan)製(zhi)備(bei)出(chu)的(de)粉(fen)末(mo)球(qiu)形(xing)度(du)不(bu)夠(gou)，容(rong)易(yi)產(chan)生(sheng)雜(za)質(zhi)，且(qie)一(yi)些(xie)介(jie)質(zhi)會(hui)產(chan)生(sheng)合(he)金(jin)化(hua)元(yuan)素(su)汙(wu)染(ran)，不(bu)便(bian)於(yu)在(zai)下(xia)一(yi)步(bu)成(cheng)形(xing)製(zhi)備(bei)中(zhong)使(shi)用(yong)。”劉彬特別指出。

　　第二種是緊耦合惰性氣體霧化法（GA）。該(gai)方(fang)法(fa)是(shi)通(tong)過(guo)熔(rong)煉(lian)爐(lu)將(jiang)合(he)金(jin)熔(rong)為(wei)液(ye)體(ti)，由(you)導(dao)管(guan)流(liu)到(dao)噴(pen)盤(pan)裏(li)，再(zai)通(tong)過(guo)出(chu)氣(qi)口(kou)將(jiang)液(ye)體(ti)打(da)散(san)，形(xing)成(cheng)小(xiao)液(ye)滴(di)，待(dai)冷(leng)卻(que)後(hou)變(bian)成(cheng)球(qiu)形(xing)粉(fen)末(mo)。這(zhe)種(zhong)製(zhi)備(bei)方(fang)法(fa)成(cheng)本(ben)低(di)，製(zhi)備(bei)出(chu)的(de)粉(fen)末(mo)粒(li)度(du)細(xi)、球形度好，但不適用於加工難熔（上限溫度為1800攝氏度左右）或高活性的高熵合金。

　　如何製備高活性、高純淨度的高熵合金粉末呢？劉彬介紹了第三種製備方法——電極感應熔煉氣霧化法（EIGA）。這zhe種zhong方fang法fa是shi將jiang高gao熵shang合he金jin材cai料liao熔rong成cheng電dian極ji後hou，放fang入ru感gan應ying線xian圈quan加jia熱re形xing成cheng液ye流liu，通tong過guo高gao壓ya氣qi體ti衝chong擊ji液ye流liu，最zui後hou得de到dao氣qi化hua粉fen末mo。劉liu彬bin介jie紹shao，這zhe種zhong製zhi備bei方fang法fa沒mei有you坩gan堝guo汙wu染ran，製zhi出chu的de粉fen末mo粒li度du細xi，雜za質zhi含han量liang低di。

　　“目前製備高熵合金粉末比較熱門和常見的方法是第四種——旋轉電極霧化法（PREP）。”liubinshuodao，zhezhongfangfashizaiwudianjihegaoshanghejinshiyangdianjizhijiantongguodaliangdianliu，shishiyangjianduanronghua，zaironghuadetongshishidianjigaosuxuanzhuan，liyonglixinlizuoyongjiangronghuadeyetishuaichuquxingchengxiaoyedi，daixiaoyedilengquehouxingchengfenmo。liubinzhichu：“這種製備方法沒有坩堝汙染，製備出的粉末球形度好、雜質含量低，適用於製備高活性粉末。”

　　“如果遇到熔點很高的高熵合金可以使用等離子球化法。通過等離子球化法製備出的這類高熵合金粉末球形度好、成分均勻。”劉彬介紹了第五種製備方法。這種方法是利用等離子體裏8000~10000攝氏度高溫瞬間熔化高熵合金形成液體，通過表麵張力作用形成液滴，待液滴冷卻後形成粉末。

　　5種粉末冶金高熵合金成形方法

　　當製備出高熵合金粉末後，下一步便是將高熵合金粉末製備成形。劉彬介紹了粉末冶金高熵合金成形方法。

　　一是SPS（放電等離子燒結）方法，通過脈衝電流和上下模衝加壓實現等離子體燒結。這種方法升溫速度快、燒結溫度低、致密度高，適用於納米材料、複合材料、陶瓷材料等小型材料的製造，製造出的成品強度高但塑性較低。

　　二er是shi粉fen末mo擠ji壓ya成cheng形xing法fa。這zhe種zhong方fang法fa將jiang高gao熵shang合he金jin粉fen末mo放fang置zhi於yu模mo具ju中zhong後hou將jiang氣qi體ti抽chou出chu密mi封feng形xing成cheng真zhen空kong的de坯pi體ti，將jiang坯pi體ti放fang置zhi於yu預yu熱re好hao的de擠ji壓ya機ji上shang進jin行xing擠ji壓ya，得de到dao組zu織zhi更geng細xi小xiao、更均勻的合金成品。成品屈服強度高於采用傳統鑄造法製備的成品，綜合力學性能更優。“同時，這種方法也適用於製備複合材料。”liubintebiejieshao，zhibeifuhecailiaoshi，tongguorejiyakeyuanweixingchengmisanfenbudedadaonamichidudeyanghuawuxiang，zuizhongdedaojuyoulianghaogaowenlixuexingnenghefuzhaoxingnengdehejincailiao，danbushiyongyunanrongdegaoshanghejincailiao。

　　三是熱等靜壓（HIP）成(cheng)形(xing)方(fang)法(fa)。劉(liu)彬(bin)介(jie)紹(shao)，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)將(jiang)粉(fen)末(mo)製(zhi)成(cheng)坯(pi)體(ti)後(hou)，通(tong)過(guo)熱(re)等(deng)靜(jing)壓(ya)機(ji)進(jin)行(xing)高(gao)溫(wen)高(gao)壓(ya)變(bian)形(xing)，製(zhi)造(zao)出(chu)的(de)合(he)金(jin)結(jie)構(gou)致(zhi)密(mi)，且(qie)具(ju)有(you)各(ge)向(xiang)同(tong)性(xing)效(xiao)果(guo)，材(cai)料(liao)利(li)用(yong)率(lv)高(gao)，生(sheng)產(chan)周(zhou)期(qi)短(duan)，可(ke)實(shi)現(xian)近(jin)淨(jing)成(cheng)形(xing)。

　　“研究表明，高熵合金塗層在耐磨性方麵具有極好的應用潛力。”劉彬介紹了第四種製備高熵合金塗層的方法，包括熱噴塗法（大氣等離子噴塗、超音速火焰噴塗）、等離子或激光熔覆方法（適用於複合材料）等。

　　此外，還可以通過第五種方法，即增材製造的方法來使高熵合金粉末成形，包括選區激光熔化法、激光送粉法（適用於製造大型構件）、電子束粉床法（適用於製備熱裂傾向大的材料）等。

　　劉彬認為，粉末冶金高熵合金在多個領域顯示出很好的應用發展前景。其中，在輻照領域，高熵合金可用於製造反應堆包殼管、聚變堆第一壁、偏濾器等材料；在海洋、石化、航空航天等領域，高熵合金可用於製造高溫、耐磨、耐蝕等高性能塗層。

　　tongshi，liubinjianyi，xiayibu，jiyucailiaojiyingongchengshejisixiang，keliyongfenmoyejingaotongliangdezhibeiyubiaozhengjishu，shixiangaoshanghejinchengfendekuaisushaixuan，suoduanxinhejinyanfazhouqi；發揮粉末冶金工藝靈活性、成分過飽和性等優點，設計顆粒強韌化複合結構、層狀結構、梯度結構等的異質結構材料；可研究航空航天、生物醫用等複雜高熵合金構件及難成形高熵合金構件的增材製造技術，推進高熵合金的應用發展。

　　名詞解釋

　　高熵合金（High-entropy alloys）簡稱HEA，是由5種或5種(zhong)以(yi)上(shang)等(deng)量(liang)或(huo)大(da)約(yue)等(deng)量(liang)金(jin)屬(shu)組(zu)成(cheng)的(de)合(he)金(jin)，沒(mei)有(you)溶(rong)質(zhi)和(he)溶(rong)劑(ji)之(zhi)分(fen)，化(hua)學(xue)無(wu)序(xu)，結(jie)構(gou)有(you)序(xu)，是(shi)一(yi)種(zhong)多(duo)維(wei)單(dan)相(xiang)固(gu)溶(rong)體(ti)結(jie)構(gou)。其(qi)最(zui)早(zao)由(you)中(zhong)國(guo)台(tai)灣(wan)科(ke)學(xue)家(jia)葉(ye)鈞(jun)蔚(wei)提(ti)出(chu)，在(zai)2010年左右得到學界廣泛關注。高熵合金由於具有優異的耐腐蝕、耐高溫、耐磨性等性能，可用於製作船用耐蝕構件、微機電加工元件、渦輪葉片等高精尖產品，在航空航天、海洋、化工等領域顯示出良好的應用前景。

　　《中國冶金報》（2020年08月06日 03版三版）

來源：中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯：宋玉錚

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