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摘要
高熵合金(HEAs)作为一种新型多主元固溶体合金,其独特的合金设计理念和优异的性能引起了科研人员的普遍关注,成为当前材料研究的热点。其中,轻质高熵合金(LWHEAs)是基于高熵合金的轻量化而设计开发的一种新型轻质合金,它具有传统轻质合金所无法比拟的高比强度和比硬度等突出特点,在航空航天、能源交通和电子通讯等领域显示出巨大的应用潜力。目前,轻质高熵合金的研究还处于起步阶段,存在许多不足之处:(1)在合金设计方面,大部分轻质高熵合金的开发都是基于传统的由过渡族元素组成的高熵合金的经验准则,缺乏可靠的成分设计方法;(2)在合金制备方面,当前的工艺尚难以制备出组织结构简单、性能优异的大块轻质高熵合金材料。近年来,研究者们实验探索了近百种轻质高熵合金,并积极寻求适合于轻质高熵合金相结构预测的经验准则,这些准则涉及的热物理参数包括混合熵(ΔSmix)、混合焓(ΔHmix)、原子半径差(δ)和价电子浓度(VEC)等。最近,利用计算机模拟设计轻质高熵合金的方法逐渐发展起来,包括采用相图计算(CALPHAD)及第一性原理计算(DFT)预测轻质高熵合金的相形成和相转变等,并展现出较明显的优势。轻质高熵合金的制备最初主要采用真空熔铸法,但采用该方法制备的轻质高熵合金显微组织普遍比较复杂。近几年的研究工作尝试采用机械合金化来制备轻质高熵合金,降低了合金形成金属间化合物(IM)等复杂相的趋势,获得了组织结构更加单一的轻质高熵合金。此外,尽管现有多数铸态轻质高熵合金组织复杂、塑性较差,但富铝(或富镁)型轻质高熵合金倾向于形成以固溶体(SS)相为主、加微量IM相的较为简单的显微结构,展现出良好的强韧结合性能潜力。本文基于当前轻质高熵合金研究现状,从轻质元素选取规则入手,总结了轻质高熵合金的设计方法、制备工艺以及显微结构和性能。此外,详细探讨了轻质高熵合金的经验相形成准则,提出了适应Ⅰ型和Ⅱ型轻质高熵合金的相形成准则,对未来轻质高熵合金设计具有一定的指导意义。最后,指出了当前轻质高熵合金研究中存在的主要问题并展望了未来的研究方向。
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