Sci. China. Mater.：Al-Li-Mg-Zn-Cu轻质中熵合金在超重力场下的梯度结构

［引言］

梯度材料在自然界中广泛存在，如竹子、乌龟壳和人的骨骼，已经证实这样特殊的外部坚硬而内部相对较软的梯度结构可以使得生物体具有良好的应对外界自然环境变化的能力。与此相类比，在材料中设计这样的梯度结构可以使得材料同时具有较高的强度和良好的韧性，且这两个部分具有良好的界面结合，因而综合力学性能较好，如早期经渗碳、渗氮处理的钢件就是梯度结构材料的雏形。

已开发的梯度材料制备方法主要有化学气相沉积法、物理蒸发法、等离子喷涂法、自蔓延高温合成法等。此外，超重力法是一种有效的制备梯度材料的方法，它是利用设备高速旋转产生的超重力场（有时也叫离心力场）对熔融态合金产生作用力，根据密度的不同将物质分离开，通常沿超重力（也叫离心力）方向密度增加。这一方法已经应用于元素的分离提纯与冶金工业，但是其在高熵合金梯度材料的制备方面还鲜有报道。

［成果简介］

北京科技大学新金属材料国家重点实验室高熵合金团队张勇教授和博士研究生李蕊轩，以AlZn_0.4Li_0.2Mg_0.2Cu_0.2轻质中熵合金为研究对象【之前该课题组已经通过超重力燃烧合成方法制备了Al_xCoCrFeNi高熵合金并预测了梯度结构（Mat. Sci. Eng. A 2017, 707, 668–673）】，通过调整不同的实验参数在超重力场下制备了具有不同梯度组织结构的合金，并讨论了多种不同作用力交互作用下的成分、硬度、熔体黏度和晶粒大小的分布规律。此外，作者还建立了超重力场下沿超重力方向熔体黏度的变化方程，并分析了由此带来的合金硬度的梯度变化现象。该研究提出了梯度多组元材料制备的新方法，同时也为超重力场下复杂的交互作用研究提供了新的参考。

该研究得到了国家自然科学基金的资助。相关结果发表在Sci. China. Mater. (2018, https://doi.org/10.1007/s40843-018-9365-8)上，题为“Graded microstructures of Al-Li-Mg-Zn-Cu entropic alloys under supergravity”。

［图文导读］

超重力离心装置示意图

图 1. （1）温度控制结构（2）热电偶（3）熔融金属液（4）固定物（5）坩埚（6）电阻丝（7）保温层（8）静止状态位置（9）离心杆（10）配重装置

样品和取样位置示意图

图 2. （a）原始铸态样品（b）超重力处理后的样品（c）取样位置示意

铸态AlZn_0.4Li_0.2Mg_0.2Cu_0.2合金组织结构示意图

图 3. （a）低倍和（b）高倍下AlZn_0.4Li_0.2Mg_0.2Cu_0.2 (样品1) 扫描电镜及其对应的成分分析。

铸态AlZn0.4Li0.2Mg0.2Cu0.2合金XRD图谱

图 4. AlZn_0.4Li_0.2Mg_0.2Cu_0.2 (样品1) 合金X涉嫌衍射分析图

梯度组织结构示意图

图 5. （a）样品1（b）样品2（c）样品3 的梯度结构扫描电镜照片

成分分析示意图

图 6. （a）样品1（b）样品2（c）样品3 的元素分布图

硬度分析示意图

图 7. 样品1、2、3 沿超重力方向的硬度变化图

晶粒大小和黏度分析示意图

图 8. （a）晶粒尺寸（b）黏度和氧化物在超重力场下的变化图。建立了超重力场下沿超重力方向熔体黏度的变化方程为：，其中C和A是常数，p是熔体内由超重力作用的压强大小。

［结论］

作者通过调整不同的实验参数在超重力场下制备了具有不同梯度组织结构的合金：当超重力场施加于保温过程中时，沿超重力方向只是各相比例发生变化；而当超重力场施加于合金液冷却过程中时，沿超重力方向相形貌发生较大变化，MgZn₂相从大块金属间化合物过渡到共晶结构。虽然相形貌产生了明显的梯度结构，但是成分差别不大。基于此，作者对这种特殊的组织结构和成分产生的机理进行了探究。超重力场中熔融合金内部熔体单元受到多种力的交互作用，而由于熵力的均匀化作用战胜了还不够大的超重力，占据主导作用，使得不同密度的元素仍趋向于分散分布，而不是按照密度大小分离；而明显的梯度组织结构则是由于离心过程中梯度分布的微量合金氧化物对形核产生的影响所致。此外，作者基于熵的热力学公式等建立了超重力场下沿超重力方向熔体黏度的变化方程：（其中C和A是常数，p是熔体内由超重力作用的压强大小），并由此解释了沿超重力方向的硬度梯度变化规律。该研究提出了梯度多组元材料制备的新方法，同时也为超重力场下复杂的交互作用研究提供了新的参考。

本文由第一作者李蕊轩撰稿，材料人特邀作者吴禹翰编辑发布。