特约综述 | 北科大李晓刚和骆鸿： 高熵合金高温氧化影响因素及机理研究进展
导语
高熵合金是近十年来研究的一种热点材料，具有高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应以及鸡尾酒效应等优异特性，因而被广泛研究。高温氧化是高温环境下常见的一种失效形式，对于飞机发动机和航天推进器等的服役寿命有着重要的影响。 因此，科研人员一直致力于开发抗高温氧化材料。 镍基合金是最常见的一种高温材料，但是在服役温度上限等方面潜力有限，急需新型高温合金来取代镍基高温合金，成为新一代的耐高温材料，高熵合金在这方面最有可能成为替代者。想了解高熵合金在氧化方面的研究进展吗？
快来阅览北京科技大学李晓刚教授和骆鸿教授团队发表在IJMMM2021年第6期的特约综述Influencing factors and mechanism of high-temperature oxidation of high-entropy alloys: A review 吧！
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近日，北京科技大学李晓刚教授和骆鸿教授团队发表了题为“Influencing factors and mechanism of high-temperature oxidation of high-entropy alloys: A review”的综述文章，系统的介绍了近年来高熵合金氧化方面的重要成果。
该文章首先介绍的影响高温氧化的因素是服役环境，如不同的气体环境和服役环境温度等。紧接着介绍了相结构对于高温氧化的影响，研究表明BCC结构的高熵合金在高温时相对稳定，因而在抗高温氧化性能方面也有一定的优势。接下来详细介绍了合金元素对于高温氧化的影响，Al元素在高温氧化过程中表现较为优异，一般能够提高高熵合金的抗氧化性能，Al元素的添加还能够促进Cr元素形成致密的Cr2O3，促进抗氧化性能进一步提高。含有Mn元素的高熵合金在高温氧化过程中表现不佳，主要是Mn的氧化物容易形成孔洞，致使连续的保护性氧化膜无法形成。Si元素含量较少时会提高高熵合金的高温抗氧化性能，但当Si含量超过临界值后，会引发脆性相的出现，使高温抗氧化性能大大降低。难熔合金元素在高温氧化中的性能一般不佳，如图1所示，含有Zr和Hf的高熵合金在氧化后产生了内应力，达到临界值后产生裂纹，导致氧化加剧。Mo元素在1000°C以上高温下由于MoO3的蒸发会导致孔洞的出现，使含Mo高熵合金高温抗氧化性能下降。含有Ta的高熵合金可以与Cr相互作用形成CrTaO4，提高抗氧化性能。
该文章又对高熵合金的高温氧化性能的机理做出了阐释，首先介绍了热力学因素是影响高温氧化性能的重要因素。对于金属材料而言，价电子数越少和结合能越低的元素形成氧化物的倾向就越大。如图2所示，Al元素的价电子数和氧化物的结合能都较低，因而Al元素在高温氧化过程中会优先氧化，这也是含Al高熵合金在高温下抗氧化性能优异的重要原因之一。氧化过程中离子的扩散速度是对抗氧化性能影响的又一重要因素，Mn2+在高温氧化过程中扩散速度较快，容易出现在氧化层的最外层，但是含Mn的氧化物一般很难形成致密的氧化膜，因而含Mn元素的高熵合金抗氧化性能一般较差。高熵合金的晶格畸变和缓慢扩散效应对高温氧化性能也有一定的影响。
最后，该文章对未来高熵合金抗氧化性能的研究工作进行了展望。我们可以通过高通量实验筛选出一些抗高温氧化性能优异的一些元素，充分研究这些元素在相互作用时的晶格畸变和缓慢扩散效应对于高温抗氧化性能的影响，进一步提高高温抗氧化性能。此外，为了降低成本，我们还应当致力于研究涂层在高温氧化领域的应用，进一步探究超高温条件下材料抗高温氧化的能力，提高材料的服役温度范围，还可以通过改进材料的制备方法等探究材料的高温抗氧化性能。
图片精选图1. Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr高熵合金在800°C氧化5 h后的微观结构：(a)基体金属;(b)氧化后出现裂纹的氧化层。
图2. (a) Al0.3CoCrFeNiCu各元素的氧化物结合能; (b) Al0.3CoCrFeNiCu各元素的价电子数和电负性值。
梯队介绍
北京科技大学新材料技术研究院腐蚀控制系统工程研究所现有教师19人，其中教授/研究员12人，副教授/副研究员3人。近年来承担并参与“973”、“863”、科技支撑计划、国家自然基金、国家重点研发计划等国家级和省部级项目30余项，企业横向项目300余项。获得国家级奖励3项、省部级奖励10余项；成果鉴定10余项；专利50余项；我国腐蚀界首次NATURE文章发表团队，在国内外刊物发表论文500余篇，引用5000余次；出版专著和教材30余部；培养博士后5名，博士、硕士研究生140余名。
本研究所围绕国家材料环境腐蚀平台的建设与运行工作，长期以来在野外科学观测研究站建设、材料腐蚀数据积累与共享服务、材料环境腐蚀信息化建设、材料环境腐蚀标准规范建设和人才队伍培养等方面开展了大量的工作，为国家经济建设、重大工程建设和国防建设提供了重要的支撑。团队先后获得科技部“全国野外科技先进集体”、“承担十一五国家重大科技计划优秀团队奖”、美国腐蚀工程师协会（NACE）2016年杰出团体奖。
引用本文
Ya Wei, Yu Fu, Zhi-min Pan, Yi-chong Ma, Hong-xu Cheng, Qian-cheng Zhao, Hong Luo, and Xiao-gang Li, Influencing factors and mechanism of high-temperature oxidation of high-entropy alloys: A review, Int. J. Miner. Metall. Mater., 28(2021), No. 6, p. 915. https://doi.org/10.1007/s12613-021-2257-7
《矿物冶金与材料学报（英文版）》(InternationalJournal of Minerals, Metallurgy and Materials，IJMMM)是由教育部主管、北京科技大学主办、Springer Nature合作出版的英文学术期刊，1994年创刊，月刊。主要刊载矿物、冶金和材料领域的原创研究论文和特约综述等。被SCIE，EI，CAS，Scopus，ProQuest，OCLC，INSPEC等国际著名文摘或检索系统作为文献源期刊收录。2019 JCR影响因子为1.713，在冶金与冶金工程学科位于Q2区。2020 CiteScore为3.2，在材料科学-金属与合金类期刊中排名第41位（共153种期刊），位于Q2区前列。入选《有色金属领域高质量科技期刊分级目录》T1级别；《冶金工程技术领域高质量科技期刊分级目录》T1级别。
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