稀土镧在FeCoCrNiMn高熵合金中的作用行为研究

【作者】 瞿伟； 侯渊； 邢磊； 任慧平； 刘玉宝；

【机构】 内蒙古科技大学； 包头稀土研究院；

【摘要】 高熵合金是一种全新的合金设计理念,其打破了以混合焓为主的单或双主元成分的传统合金设计理念,代以构型熵为主设计的一类新型多主元金属材料[1]。因此,在进行材料设计时,元素周期表中可供合金主元选择的元素及元素之间的各类组合相较于传统合金的单主元或双主元设计,大大增加了组元的组合方式,将元素周期表这一宝库在材料设计发挥出更大的潜力。因此,高熵合金既是一类能够开发出高性能金属材料,又是一种能够更加充分地发掘出合金材料性能潜力的全新合金设计理念。稀土元素由于其具有特殊核外电子层结构,在众多高新领域有着广泛的应用工业。其中在金属材料领域,微量的稀土元素往往能够发挥非常明显的优势作用,因此,稀土有着"工业维生素"的美称。稀土元素在高熵合金中的应用还是有巨大潜力的:2019年浙江大学的学者们研究得到,采用大尺寸的Pd元素代替了FeCoCrNiMn高熵合金中尺寸较小的Mn元素,在Pd原子周围产生了"浓度波"起伏效应,从而,突破性地同时提高了强度和断裂韧性^[2]。受到上述研究结果的启发,由于稀土原子的半径相比于Pd原子更大,尤其是La原子,作为17种稀土元素中原子半径最大的元素,如果能以原子态固溶到高熵合金的基体中,则有可能形成更大的晶格畸变效应并获得更强的"浓度波"起伏,如此,则高熵合金材料有获得更高强度及强韧性配合的潜力。FeCoCrNiMn高熵合金在低温环境下,由于独特的协同变形机制,高熵合金不仅不会像有别于传统合金结构材料那样由于低温变得脆,反而强度和韧性同时增加,变得"既强又韧"^[3,4],而大量的研究发现微量的稀土元素就能够通过细化纳米相析出、改善晶界类型、改善夹杂物状态和细化晶粒等方式显著地提高金属结构材料的低温冲击韧性^[5-7],那么稀土加入到FeCoCrNiMn高熵合金中也存在使高熵合金的低温性能更加优异的潜力。因此,研究稀土镧在FeCoCrNiMn高熵合金的作用能够为我国稀土资源在未来的材料市场上占有一席之地并发挥优势作用做好基础理论支撑和工艺实践探索,故而,具有重要的理论和实际意义。更多还原