Sci. China. Mater.：Al-Li-Mg-Zn-Cu輕質中熵合金在超重力場下的梯度結構

［引言］

梯度材料在自然界中廣泛存在，如竹子、烏龜殼和人的骨骼，已經證實這樣特殊的外部堅硬而內部相對較軟的梯度結構可以使得生物體具有良好的應對外界自然環境變化的能力。與此相類比，在材料中設計這樣的梯度結構可以使得材料同時具有較高的強度和良好的韌性，且這兩個部分具有良好的界面結合，因而綜合力學性能較好，如早期經滲碳、滲氮處理的鋼件就是梯度結構材料的雛形。

已開發的梯度材料制備方法主要有化學氣相沉積法、物理蒸發法、等離子噴涂法、自蔓延高溫合成法等。此外，超重力法是一種有效的制備梯度材料的方法，它是利用設備高速旋轉產生的超重力場（有時也叫離心力場）對熔融態合金產生作用力，根據密度的不同將物質分離開，通常沿超重力（也叫離心力）方向密度增加。這一方法已經應用于元素的分離提純與冶金工業，但是其在高熵合金梯度材料的制備方面還鮮有報道。

［成果簡介］

北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室高熵合金團隊張勇教授和博士研究生李蕊軒，以AlZn_0.4Li_0.2Mg_0.2Cu_0.2輕質中熵合金為研究對象【之前該課題組已經通過超重力燃燒合成方法制備了Al_xCoCrFeNi高熵合金并預測了梯度結構（Mat. Sci. Eng. A 2017, 707, 668–673）】，通過調整不同的實驗參數在超重力場下制備了具有不同梯度組織結構的合金，并討論了多種不同作用力交互作用下的成分、硬度、熔體黏度和晶粒大小的分布規律。此外，作者還建立了超重力場下沿超重力方向熔體黏度的變化方程，并分析了由此帶來的合金硬度的梯度變化現象。該研究提出了梯度多組元材料制備的新方法，同時也為超重力場下復雜的交互作用研究提供了新的參考。

該研究得到了國家自然科學基金的資助。相關結果發表在Sci. China. Mater. (2018, https://doi.org/10.1007/s40843-018-9365-8)上，題為“Graded microstructures of Al-Li-Mg-Zn-Cu entropic alloys under supergravity”。

［圖文導讀］

超重力離心裝置示意圖

圖 1.?（1）溫度控制結構（2）熱電偶（3）熔融金屬液（4）固定物（5）坩堝（6）電阻絲（7）保溫層（8）靜止狀態位置（9）離心桿（10）配重裝置

樣品和取樣位置示意圖

圖 2.?（a）原始鑄態樣品（b）超重力處理后的樣品（c）取樣位置示意

鑄態AlZn_0.4Li_0.2Mg_0.2Cu_0.2合金組織結構示意圖

圖 3.?（a）低倍和（b）高倍下AlZn_0.4Li_0.2Mg_0.2Cu_0.2 (樣品1) 掃描電鏡及其對應的成分分析。

鑄態AlZn0.4Li0.2Mg0.2Cu0.2合金XRD圖譜

圖 4.?AlZn_0.4Li_0.2Mg_0.2Cu_0.2 (樣品1) 合金X涉嫌衍射分析圖

梯度組織結構示意圖

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圖 5.?（a）樣品1（b）樣品2（c）樣品3 的梯度結構掃描電鏡照片

成分分析示意圖

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圖 6.?（a）樣品1（b）樣品2（c）樣品3 的元素分布圖

硬度分析示意圖

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圖 7.?樣品1、2、3 沿超重力方向的硬度變化圖

晶粒大小和黏度分析示意圖

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圖 8.?（a）晶粒尺寸（b）黏度和氧化物在超重力場下的變化圖。建立了超重力場下沿超重力方向熔體黏度的變化方程為：，其中C和A是常數，p是熔體內由超重力作用的壓強大小。

［結論］

作者通過調整不同的實驗參數在超重力場下制備了具有不同梯度組織結構的合金：當超重力場施加于保溫過程中時，沿超重力方向只是各相比例發生變化；而當超重力場施加于合金液冷卻過程中時，沿超重力方向相形貌發生較大變化，MgZn₂相從大塊金屬間化合物過渡到共晶結構。雖然相形貌產生了明顯的梯度結構，但是成分差別不大。基于此，作者對這種特殊的組織結構和成分產生的機理進行了探究。超重力場中熔融合金內部熔體單元受到多種力的交互作用，而由于熵力的均勻化作用戰勝了還不夠大的超重力，占據主導作用，使得不同密度的元素仍趨向于分散分布，而不是按照密度大小分離；而明顯的梯度組織結構則是由于離心過程中梯度分布的微量合金氧化物對形核產生的影響所致。此外，作者基于熵的熱力學公式等建立了超重力場下沿超重力方向熔體黏度的變化方程：（其中C和A是常數，p是熔體內由超重力作用的壓強大小），并由此解釋了沿超重力方向的硬度梯度變化規律。該研究提出了梯度多組元材料制備的新方法，同時也為超重力場下復雜的交互作用研究提供了新的參考。

本文由第一作者李蕊軒撰稿，材料人特邀作者吳禹翰編輯發布。