高熵合金在高压下“显原形”
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金属合金材料在我们的日常生活中随处可见，在人类文明化进程中扮演了极其重要的作用。传统合金材料往往以某个元素为主要组元，再加入其它合金化元素来改善其性能。因此，这类材料通常以其主要组元来命名，常见如以铁为主的钢铁材料，以铝为主的铝合金和以钛为主的钛合金等。
近年来，一种全新的合金设计理念突破了传统基于单一组元的思路，把五种或以上的多种元素以（近）等原子比混合，得到具有简单晶体结构的单一相固溶体合金。传统基于一种或两种基元的多元体系往往会形成由多相复杂金属间化合物构成的脆性复合材料，从而鲜有使用价值。人们认为在多元体系中通过成分调控实现最大化的配置熵在稳定该新型合金结构方面发挥了重要的作用，因此得名“高熵合金”。高熵合金的发现大大拓展了合金开发的成分空间（几乎无穷）以及利用合金元素调制材料性能的操作范围，成为了当前金属材料研究的一个热点前沿，吸引了广泛的研究兴趣。高熵合金同时也表现了优异的综合性能。例如，极高的强度、韧性、耐腐蚀、耐磨损和抗氧化性等。
含有五个基元的CoCrFeMnNi高熵合金是面心立方（fcc）结构高熵合金的代表体系，它具有极好的低温强度和断裂韧性、延展性和抗氢脆性。人们把这个合金作为高熵合金模型体系开展了大量的研究。然而，到目前为止，人们对其结构的认识还不是很清楚。理论计算认为该合金的密排六方结构（hcp）可能是常温下更稳定的结构，但是以往的实验从没有观察到该hcp结构的存在。从液氮温度到其熔点的大范围加热实验也表明CoCrFeMnNi高熵合金的fcc结构很稳定，不存在任何多形态相变，和其构成元素的丰富多形态现象形成鲜明反差。
图1：高压原位X射线衍射实验装置 (左)；CoCrFeMnNi HEA 的hcp与fcc相的亚稳定性温度压力边界示意图 (右)
最近，北京高压科学研究中心的曾桥石研究员所领导的国际团队和北京科技大学吕昭平教授课题组合作，利用高压作为独特的调制参量，采用原位高压同步辐射X射线衍射技术对CoCrFeMnNi这一典型的fcc高熵合金的结构进行了系统研究，发现了该合金在加压过程中存在fcc到hcp的不可逆多形态相变现象。该研究团队又利用高压原位激光加热技术结合同步辐射X射线衍射技术，对fcc和hcp结构稳定性做了进一步研究。结果表明，fcc其实是高温下的稳定相，而hcp才是低（室）温稳定相。
该研究成果揭示了看似极度稳定的高熵合金中也能存在多形态相变现象，澄清了CoCrFeMnNi高熵合金中fcc和hcp结构相对稳定性的长期疑问，也为从原子结构层面调控和设计这类材料的性能提供了可能。而高压为解决这种挑战，提供了独特而有效的途径。
“我们发现，由于这种相变的不可逆特性，使得制备体积分数可调的fcc-hcp两相复合物高熵合金成为可能，并且通过两相组织的调控实现性能的设计控制”曾桥石研究员说到，“我们的后续工作已经证明这种多形态在很多高熵合金中是存在的。而压力作为一个“干净”而高度可控的参量，再次为我们打开了理解和调控材料的一扇有趣的大门。”
相关成果“Polymorphism in a high-entropy alloy”于6月1日在线发表在《Nature Communications》上(DOI:10.1038/ncomms15687)。点击阅读原文下载PDF论文，或通过以下链接查看：
https://www.nature.com/articles/ncomms15687
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