毕业论文
AlCrCoFeNiMoTixSiy 高熵合金
微观组织分析
学生姓名： 学号： 系 部： 专
业：
指导教师：
二○一二年六月
机械工程系
机械设计制造及自动化
诚信声明
本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
本人签名：
年月日
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：AlCrCoFeNiMoTixSiy 高熵合金微观组织分析
系部：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化学号：
学生：指导教师（含职称）：专业负责人：
1．设计（论文）的主要任务及目标
本文主要研究Ti、Si元素含量对AlCrCoFeNiMoTiSi八主元合金的微观组织的影响。选取原材料Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si，其纯度为99.5%以上，按摩尔比为1:1:1:1:1:x:y配置合金（取x=1时y=0，0.25,0.5,0.75，1；y=1时x=0，
0,25,0.75,1），用真空电弧炉熔铸AlCrCoFeNiMoTi x Si y 髙熵合金，通过金相显微镜、X射线衍射仪和SEM扫描电子显微镜观察分析了合金的相组成和显微组织结构，探讨了Si和Ti含量变化对合金组织和性能的影响。
2．设计（论文）的基本要求和内容
1.了解高熵合金研究的背景，目的及意义
2.了解熔炼高熵合金的过程以及其元素配比
3.掌握金相显微镜设的原理、操作，了解其注意事项
4.掌握扫描电镜的原理、操作，了解其注意事项
5.掌握XRD的原理、操作，了解其注意事项
6.观察分析高熵合金的微观组织
7.通过实验分析高熵合金相应的性能，找出其规律
8.整理材料，撰写论文
3．主要参考文献
[1]叶均蔚，陈瑞凯，林树均. 髙熵合金的发展概况[J]. 工业材料杂志，2005,224:71-79
[2]杜经邦，杨智超，叶均蔚. 块状多元高功能合金之特性[J].工业材料杂志，2005,224:80-86
[3]Hsua US，Hunga UD，Yeh JW，Alloyingbehavior of iron，gold and siler in AlCoCrCuNi-based equimolar high-entropy alloys[J].Mate.Sci.Eng. A,2007, 460-461:
403-408
[4]Wang XF,Zhang Y Chen GL，et a1.Novel microstructure and properties of multi-component CoCrCuFeNiTix alloys[J].Intermetailics，2007，15:
357-359
[5]Cantor B，Chang ITH，Knight P,ct a1.Microstructural development
in equiatomic multicomponent alloys[J].Mater.Sci.Eng.A2004，375-377:
213-218
[6]Jien-Wei YEH.Recent Progress in Higll-Entropy Alloys[J]. Ann. Chim.Sci. Mat,2006，31(6):633-648.
[7]Wei-Hong WU，Chih-Chao YANG，Jien-Wei YEH.Industrial Development of
High-Entropy Alloys[J].Ann.Chim.Sci.Mat,2006,31(6):737-747
[8]叶均蔚，陈瑞凯.合金热力学理论及其应用[M].北京：冶金工业版,1999.
149-150
4．进度安排
设计（论文）各阶段名称起止日期
1 了解高熵合金概况2012年3月8日—2011年3月31日
2 掌握高熵合金微观组织的分析方法2012年4月1日—2011年4月30日
3 将制备好的试件进行组织分析2012年5月1日—2011年5月20日
4 实验数据的整理总结，找出规律2012年5月21日—2011年5月31日
5 整理资料，撰写论文，准备答辩2012年6月1日—2011年6月10日
AlCrCoFeNiMoTixSiy 高熵合金微观组织分析
摘要：多主元高熵合金是近年来兴起的一种新型合金材料，它的最大特点是突破了传统合金只以一种或两种金属元素为主的设计框架，从而发展出一种全新的合金。多主元高熵合金是以五种或五种以上主要元素按等摩尔比或近等摩尔比经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料。主要元素的增多使合金产生高熵效应，晶体结构倾向于形成简单体心或简单面心结构，同时可能伴有晶间化合物生成，甚至在铸态就会析出纳米晶，从而起到固溶强化、沉淀强化和弥散强化效果，使高熵合金的性能比传统合金具有较大优势。
本论文选取AI、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si八种常用的金属元素，通过改变Ti、Si的摩尔含量研究该系列合金的微观组织的变化规律。采用氩气保护真空电弧炉熔炼合金，运用金相显微镜、SEM、XRD等手段对铸态高熵合金进行微观组织的分析。
研究发现：该合金系都形成了简单的BCC、FCC及BCC+FCC结构固溶体，性能具有一定的优越性，尤其Ti的含量是影响该合金系性能的关键元素，对加强合金耐腐蚀性、耐磨以及硬度起着十分重要的作用，发展应用前景十分广阔。
关键词：高熵合金,微观组织,性能
The microstructure study of AlCrCoFeNiMoTi x Siy High-entropy alloys Abstract:Principal elements of high-entropy alloys is only just emerging in recent years, which is a new type of material science. Its biggest feature is the breakthrough of the traditional alloy that only one or two kinds of metal elements based design framework, develop a new alloy design concept. High-entropy alloys based on equimolar or nearly equimolar ratio five or more than five key elements, taking melting, sintering or other means to get a combination of the metallic material. The increase of the key elements lead to produce high-entropy effect, crystal structure tend to form a simple body-centered or simple face-centered structure, intergranular compounds also may be precipitated nanocrystals. This phenomenon is playing a solid solution strengthening, precipitation strengthening and dispersion strengthening effect, which making the performance of high-entropy alloys have greater advantages compared to conventional alloys.
This paper picks Al,Cr,Co,Fe,Ni,Mo,Ti,Si eight commonly used metals, by changing the molar concentration of Ti,Si in the series to study alloy microstructure and properties. Using vacuum arc furnace to melt alloy, and phase structure analysis, and last taking the hardness of the alloy, compression and wear resistance test. Found: the 8 series of alloys eventually formed a simple BCC，FCC and BCC+FCC structure solid solution, which with superior performance .Ti is the key element in performance for that 8 series of alloys. Especially strengthen its corrosion resistance, abrasion resistance and hardness, plays a very important role，it will have a development and application prospect.
Keywords: High-entropy alloys, microstructure, properties
目录
1 绪论 (1)
1.1概述 (1)
1.2选题背景、研究的目的和意义 (1)
1.3本课题研究的主要内容 (3)
2 文献综述 (5)
2.1多主元高熵合金的定义 (5)
2.1.1固溶体混合熵 (5)
2.1.2高熵合金的界定 (6)
2.2高熵合金的制备方法 (7)
2.2.1电弧熔炼+铜模铸造法 (7)
2.2.2高频感应炉加热熔炼 (8)
2.2.3其他熔炼方法 (8)
2.3高熵合金的特点及性能 (9)
2.4多主元效应 (10)
2.4.1高熵效应 (10)
2.4.2晶格畸变效应 (11)
2.4.3缓慢扩散效应 (11)
2.4.4鸡尾酒效应 (11)
2.5高熵合金的应用领域 (12)
3 试验方法和步骤 (15)
3.1合金的成分设计及试样的制备 (15)
3.1.1合金的成分设计 (15)
3.1.2合金试样的制备 (15)
3.2合金的组织结构分析 (17)
3.2.1金相照片的拍摄 (17)
3.2.2 X-ray衍射实验 (26)
3.2.3扫描电镜分析 (28)
4 AlCrCoFeNiMoTixSiy高熵合金的微观组织结构研究 (31)
5 AlCrCoFeNiMoTixSiy高熵合金的性能研究 (33)
6 总结与展望 (35)
6.1 总结 (35)
6.2 展望 (35)
7 参考文献 (36)
8 致谢 (39)
1.绪论
1.1概述
多主元高熵合金是近年来兴起的一种新型合金材料，它的最大特点是突破了传统合金只以一种或两种金属元素为主的设计框架，从而发展出一种全新的合金。多主元高熵合金是以五种或五种以上主要元素按等摩尔比或近等摩尔比经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料。主要元素的增多使合金产生高熵效应，晶体结构倾向于形成简单体心或简单面心结构，同时可能伴有晶间化合物生成，甚至在铸态就会析出纳米晶，从而起到固溶强化、沉淀强化和弥散强化效果，使高熵合金的性能比传统合金具有较大优势。
髙熵合金在晶体结构及各种性质上和传统合金有极大的差异，主要包括一下几个方面：(1)不但能形成简单的BCC和FCC结构甚至易产生纳米相和无序的非晶相；(2)具有良好的热稳定性；(3)极高的硬度、温室强度和良好的塑性变形能力;(4)优越的耐腐蚀和耐磨性能。一般来说，传统概念的固溶体特性是具有较好的塑性变形能力，但硬度和强度较低，通常只能作为基体相。而基于多主元构成髙熵合金形成的固溶体有着较高的强度和硬度，甚至高于非晶合金的强度，同时还具有良好的热稳定性和耐磨耐蚀特性，为新型结构材料的设计提供了丰富的空间。
髙熵合金的性能比传统合金具有较大的优越性，但髙熵合金的元素种类不同，其力学性能，微观组织结构也会有所变化，故研究髙熵合金具体元素的特性也是很有必要，本文就以AlCrCoFeNiMoTixSiy为例，研究Ti、Si的含量对此髙熵合金力学性能所产生的影响。
1.2选题背景、研究的目的和意义
材料、信息、能源被称为现代科学技术的三大支柱，而材料又是一切技术发展的物质基础。任何新的技术成就，莫不仰赖于各种相互匹配的新型材料，而新型材料中金属材料是其重要的一个方面，例如航空、航天工业所需的高温合金，核工业的核燃料、核反应堆材料，现代信息技术使用的硅、锗等半导体材料、新
型磁性材料等。由于这些新技术的发展又推动研制新的材料品种和发展新的冶金生产工艺和装备。由此可见，金属材料的开发和研究是科学技术的一个基本领域。
传统合金系统约有30种，其在特性上已经达到相当高的境界，但在许多方面仍然无法满足设计的需求，所以近年来，有更多的努力欲寻求突破，开发出了一些新的材料。如介金属材料、金属基复合材料、金属玻璃和无铅焊锡等。
介金属材料主要为：NiAl、Ni3A1、Ti3Al、TiA1、FeAl、Fe3Al等。这种材料具有高刚性／密度比、高温强度／密度比以及抗氧化性能，但是它的延性和韧性都极差，因此开发了近20年，尚未能有具体突破，仅有极少量的应用；金属基复合材料是以Al、Ti、Ni为基材，氧化物及碳化物为强化相复合而成的金属材料。它具有高刚性、耐温性和耐磨性的优点，但是也有极为明显的缺点，如它的强化相难以均匀分布、含孔洞、低韧性，使用可靠度也比较低，因此未能取代钛合金及其他结构材料；金属玻璃和无铅焊锡也由于存在这样或那样的不足，未能大量使用于实际。
蓦然回首，长久以来，我们都在传统合金观念下配制合金、开发其工业、研究其微观组织结构性能以及开发应用，无形中也就限制了合金发展的自由度及空间。究其原因，主要是因为在传统合金观念下，虽然可以添加少量合金元素来提高和改善材料性能，但如果合金中成分过多，会产生金属间化合物和复杂相，导致合金性能恶化；也给材料的组织、成分分析以及材料的性能控制带来极大的困难。
在这种观念的束缚下，金属材料的发展似乎钻进了一条死胡同，能够做出的突破越来越少，与日新月异的科技发展速度越来越不匹配。因此解放思想，打破桎梏，成为了新型金属材料研究的新课题。
上世纪七十年代以来，在合金领域里，众多科学家和学者做出了三个较大的突破，即：多元素大块非晶合金、多功能的超弹塑性合金以及纳米结构的高熵合金的制备。高熵合金是以中国台湾国立清华大学以叶均蔚为首的学者们，通过多元素大块非晶合金的研究，首先跳出了传统合金的狭窄理念，于1996年提出新的合金设计理念，高熵合金从此出现在了世人的面前。作为三种新型材料之中最后提出来的高熵合金，目前可以说是一块尚未开发的全新领域。但毫无疑问的，这是一个极具学术研究价值及工业发展潜力的高新科技，通过研究该项科技，可研发出大量实用和高技术含量的新型金属材料。通过试验研究发现，高熵合金地制备，除了可以使用传统金属的加工工艺以外，还可以利用速凝法、机械合金制备。
通过这2种方法所制备的高熵合金，其微观组织更倾向于形成纳米晶颗粒或是非晶结构。
与传统合金相比，高熵合金在以下特性中拥有更好的表现：(1)高硬度和良好的韧性；(2)良好的耐腐蚀性和耐磨性；(3)较高的耐温性和回火抗性；(4)良好的加工硬化性能。因此，高熵合金可以作为工程材料中多种其他合金的替代材料使用。
高熵合金的性能比传统合金具有较大优越性，但其微观组织和性能机理有待研究。开展这方面的工作，对于开发新型高熵合金材料，促进高熵合金在工业上的应用，具有十分重要的经济价值和社会价值。
1.3本课题研究的主要内容
髙熵合金的研究成果现在还处在初级阶段，无论是从理论上，还是从具体实验的设置及结果上，所出的成果还是很少的。人们对髙熵合金的合金化过程机理及其涉及到的诸多科学问题，基本上还没有很好的认识和解释。对于怎么样选择合金的元素种类，也没有科学的依据可循。此外，对髙熵合金凝固后的微观组织结构、相的成分与合金的机械性能、物理性能和化学性能之间的关系，也没有找到其间的规律性。因此有待于开展这方面的研究工作，探索其组织和性能的形成机理及其影响规律。
选取Al-Cr-Co-Fe-Ni-Mo-Ti-Si系列合金，研究Ti、Si元素含量对AlCrCoFeNiMoTiSi八主元合金的组织的影响。原材料为高纯度（99.5%）的Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si按摩尔比为1:1:1:1:1:x:y配置合金，用真空电磁炉熔铸AlCrCoFeNiMoTi x Si y （x:y=1:0，0.25:0.75:，0.75:0.25，1:0，1:1）髙熵合金。研究合金铸态与退火态的微观结构，以及Ti、Si元素含量对八元合金的微观组织、结构的影响。主要做以下几方面的工作：
（1）选择日常使用的金属材料，通过改变Ti、Si的含量，研究其对合金微观组织的影响，比较不同配方的AlCrCoFeNiMoTi x Si y 髙熵合金的微观组织。改变热处理工艺方法，研究热处理工艺对材料组织的影响。（x、y的取值同上）（2）使用光学显微镜观察合金观微组织形貌；运用XRD衍射实验来分析合金晶体结构；对合金进行电镜扫描实验，获得合金的微观组织形貌，并利用EDS 分析实验对合金中的各个不同相进行点扫描，以获得髙熵合金元素在不同的相中的原子百分比情况。
（3）通过以上实验数据，分析Ti、Si含量变化对合金微观组织的影响。
2.文献综述
2.1多主元高熵合金的定义
以中国台湾学者叶均蔚为首的一批材料学者，在经过大量实验，掌握了大量
数据的前提下，于1996年首次提出了新的合金设计理念，即多主元高熵合金，也称为多主元高混乱度合金。
一般把多主元高熵合金定义为：由n(≥5)种金属或金属与非金属，以等摩尔比或是近等摩尔比(各组元原子百分比不超过35％)经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料。如下式所示： ·为n 个主要元素的[n 元合金系统]：5≤n ≤13； ·每个主要元素的原子百分比：5％≤9l ≤35％； ·每个次要元素：n ≤％。
2.1.1固溶体混合熵
在热力学上，熵(entropy)是代表一个物质系统的混乱度的参数，如果混乱
度越大，熵就越大。一个物质系统中的原子振动组态、电子组态、磁矩组态、原子排列组态等都会影响系统的熵值，其中原子排列组态的影响最大，如果忽略其它组态对熵值的影响，则系统的熵以原子排列的混合熵为主。混合熵也称组态熵，组态熵随着合金中组元的组合方式的不同而不同，其反映合金中组元的组合方式，例如二元固溶体、空位固溶体与有序固溶体等组元组合方式不同，其组态熵也不同。熵(S)是热力学几率，组态熵 △S=KlnW 。计算热力学几率，实际上是一个计算组合的问题，下面以二元置换固溶体为例进行计算。
设固溶体晶格中一共有N 个结点，被A 平EIB 两类原子完全占据，一个结点上只能容纳一个原子，这两类原子的数目分别是NA 和NB ，现在计算这两类原子填充到结点上的组态数目。NA 个结点被A 类原子充填后，余下的NB 个结点由B 原子占据，此时只有一种组合，所以求两类原子的填充组合实际上是求NA 个原子占据N 个结点的组合数，即
一般N 很大，例如1摩尔原子的晶体中，N 就是阿夫加德罗常数6.0225×1023
，所以
!
!!B A NA
N N N N W C =
=
计算阶乘时可以采用斯特林(Stirling)近似公式，即 ln N!=N In N -N 故组态熵为
如果用摩尔分数表示成分，则上式为
式中，Nk=R=8．314J ·mol -1
·K -1
，即气体常数；c B ——摩尔分数，c B =N B /N 。
c B 与（1-c B ）都是小于1的正数，故它们的对数都是负的，所以组态熵?S m
为正值。
进一步推广，当固溶体由几种原子组成时，其组念熵?S m (或混合熵?S mix )为
S mix =-R(c 1lnc 1+c 2lnc 2+……+c n lnc n ) 当c 1=c 2……=c n ，会得到很高的混合熵。
2.1.2高熵合金的界定
如果合金的组元都是等摩尔比例，则根据式(1．5)，合金的混合熵随着合金主元的个数的变化而变化的趋势如图1-1，可见，随着合金元素个数的增加，合金的混合熵增加。台湾学者发现当合金的主元个数n ≥5时，合金生成固溶体，不易出现金属问化合物，认为合金的混合熵起着很大的作用，所以用混合熵来划分合会世界。根据式(1．5)，若合金组元都是等摩尔比，则每摩尔的合金的混合熵S=Rlnn ，n 为主元个数，所以二、五主元合金的混合熵分别是：0.693R 、1.61R ，只有一个主元的合金的混合熵应该小于0．693R ，而五主元以上的合金的混合熵大于1．61R 。以0.693R 和1.61R 为界线，可以把全部合金分为三大类，即低熵合金、中熵合金与高熵合金，以1个元素为主的合金为低熵合金，2～4个元素为主的合金为中熵合金，5个主元以上(包含5个)的合金为高熵合金，见图2-2
]
ln ln [!!!ln
B
B B B B A m N N N
N N N N N N N Nk N N N k S --+==?)
1ln()1(ln B B B B m c c c Nkc S --+-=??
图2-1合金的混合熵随合金主元个数的变化而变化趋势图
2-2以熵划分的合金示意图
2.2高熵合金的制备方法
2.2.1电弧熔炼+铜模铸造法
实验室规模制备块体高熵合金最常用的方法是电弧熔炼附加铜模铸造，合金的熔化采用电弧熔炼方法，合金熔体在快速凝固使会出现样品表面收缩现象，造成样品表面不够光滑。熔炼时，将原料放入熔炼炉的铜坩埚内，由于组成高熵合
金的元素种类较多，一般要熔炼3~4次，以保证合金成分的均匀性。
铜模铸造法是利用气体压力差将合金熔体快速注入水冷铜模，获得所需形状铸件的方法。铜模铸造法具有所需控制工艺因素少，合金冷却速度快等特点。其实验原理如图1-3所示，在铜模顶部凹槽内放置母合金，然后对整个炉腔抽真空(至2×10-3Pa)关上阀门1，打开阀门2，对整个炉腔充入氩气后关闭阀门2。利用电弧加热母合金，待其完全融化后，打开阀门3，将铜模空腔与真空泵连通，利用炉腔与铜模空间之间的压力差将合金熔体快速吸入水冷铜模，使熔体快速冷却而形成一定形状的铸锭。
图2-3 铜模铸造法制备高熵合金示意图
2.2.2高频感应炉加热熔炼
熔炼中要加入适量的净化剂，用于净化除去金属液中氧化渣并对金属液起保护作用，防止金属在熔炼过程中过多的氧化。在浇注前应将金属液静止一段时间，以利杂质的浮起和金属液成分的均匀，最后将净化剂捞出，以防止在金属液浇注过程中氧化渣难以浮起，凝固于合金中，影响金属合金的性能。为了减少熔炼工程的金属元素的氧化量，各种成分元素的添加应具有一定的顺序，例如容易烧损金属铝，应待其他金属熔化后再加入到熔炼坩埚中。
2.2.3其他熔炼方法
此外高熵合金还可以用机械合金化法和真空熔体快淬法等[31-41]。机械合金化(MA)是一种非平衡态粉末固态合金化方法，其特点突出表现在材料制备过程中的非平衡性和强制性; 高熵合金薄带的制备方法主要是真空熔体快淬法,其基本的工作原理是：将预先熔炼得到的铸锭装入石英管进行二次熔化，这个过程在
封闭的保护气氛或真空下进行，然后将融化的过热液态合金喷射到按照设定转速旋转的水冷铜模上，合金被快速冷却而形成薄带。这种方法具有极高的冷速，可以使多种金属及合金形成非晶态结构，所制备的非晶薄带具有特殊的力学及物理性能。
2.3高熵合金的特点及性能
鉴于高熵合金拥有特殊的理论依据和设计理念，因此高熵合金与传统合金相比也拥有与众不同的特点，下面进行总结：
(1)高熵合金倾向于形成简单相结构的BCC 或FCC 固溶体。根据吉布斯自由能公式所示：
mix
mix mix S T H G ?-?=?
式中T 为热力学温度，Hmix 为混合焓，Smix 为混合熵，Gmix 为吉布斯自由能。由公式很容易看出混合焓和混合熵之间的关系是相互对立、相互制约的，合金自由能便是它们结合的产物。简单BCC 和FCC 结构固溶体的形成需要较低的自由能，而高熵合金的混合熵很高，这就使得合金的自由能极低，合金最终倾向于形成简单固溶体相。
(2)高熵合金仅在铸态或是完全回火态下就会析出纳米晶颗粒。这是因为 高熵合金在熔炼时，各元素熔化后的原子混乱排列，凝固时这些原子很难进行扩散和再分配，这就有利于在合金基体内部形成纳米晶颗粒。
(3)高熵合金拥有极大的混乱度，特别是在高温下，其混乱度将会变得更大。根据合金自由能越低，则合金系统越趋于稳定的原则，高熵合金在高温下的稳定性依然极高，固溶强化依然存在，因此合金拥有极高的高温强度。研究表明，高熵合金在1000℃的高温下进行长时间(约12小时)的热处理后，硬度不降反升，与传统合金形成了鲜明的对比，如下表2-4所示。
Alloys Hardness(HV) as-cast
Hardness(HV) annealed
CuTiVFeNiZr
590 600 AlTiVFeNiZr 800 790 MoTiVFeNiZrCo 740 760 CuTiVFeNiZrCo 630 620 AlTiVFeNiZrCo 790 800 MoTiVFeNiZrCo 790 790 CuTiVFeNiZrCoCr 680 680 AlTiVFeNiZrCoCr
780
890
MoTiVFeNiZrCoCr 850 850
316 Stainless Steel 189 155
17-1P Hstainless Steel 410 362 Hasetlloy C 236 280
Stellite 6 413 494
Ti-6Al-4V 412 341
表2-4高熵合金与传统合金回火比较
(4)高熵合金以简单BCC和FCC结构固溶体存在时，由于组成元素之间在原子半径、晶体结构等方面存在差异，高熵合金的固溶强化会产生强效，导致位错在合
金内部难以进行，因此合金硬度和强度都较高：而当高熵合金以非晶结构存在时，更是不存在位错，因此合金性能更强。
(5)高熵合金的主要组成元素至少5种以上，合金的晶格扭曲情况十分严重，
因此合金的物理、化学性能以及机械性能也将会产生极大的变化。
(6)高熵合金中总有一些元素，如Al元素，会使合金产生致密氧化物，而高熵
合金通常都具有纳米晶、非晶、单相、低自由焓的特性，因此高熵合金的耐腐蚀
性能比传统合金更为优秀。
2.4多主元效应
高熵合金之所以微观结构上具有简单结构的固溶体，不倾向于出现金属间化
合物，倾向于纳米化，甚至非晶；性能上，具有高的强度、硬度与加工硬化性，耐高温氧化与软化，具有良好的耐磨与耐蚀性，电阻率高等优于传统合金的特征，是因为这些结构与性能特性都源于高熵合金具有多主元效应，具体表现如下几个
方面。
2.4.1高熵效应
对高熵合金的研究表明，当合金由多种主要元素组成时，将产生高熵效应，形成具有体心立方或面心立方等简单晶体结构的固溶体相。这种现象可以根据Gibbs自由能方程解释：
ΔGmix =ΔHmix-TΔSmix 当混合焓改变不大时，混和熵越高，Gibbs自由能越负，体系的相越稳定，由此
表明，具有高熵状态的固溶体形态可能是高熵合金的稳定态。混合熵与混合焓处
于相互竞争的地位，在高温阶段混合熵起主导作用。因此，随机互溶状态下高熵
合金较大的混合熵就会相当程度地扩展端际固溶体或金属间化合物的溶解范围，从而形成简单的多组元互溶相，这种情况在高温阶段尤为明显。高的混合熵增进了元素间的相容性，避免发生相分离而导致端际固溶体或金属间化合物的生成。
2.4.2 晶格畸变效应
高熵合金包含五种以上主要元素，因为各种元素的原子尺寸大小都不一样，如图1-4，包含多种元素的晶格严重畸变，产生强大的晶格畸变能，如果晶格畸变能太高，将无法保持晶体的构型，畸变的晶格将会坍塌而形成非晶相。晶格畸变大大影响合金的物理化学性能，如导致固溶强化，影响合金的导电性、磁性、导热性等。
图2-5 六主元合金的原子排列
2.4.3缓慢扩散效应
高熵合金的铸态微观组织倾向于纳米化与非晶，主要原因与动力学有关。因为相变取决于合金中不同元素原子的协同扩散与不同相的平衡分离。在高熵合金的铸造过程中，液-固相变时，多个元素间的协同扩散更为困难，而且严重的晶格畸变将减缓元素的扩散速率，故高温时相的分离很缓慢，甚至被抑制而延迟到低温，这是铸念的高熵合金出现纳米析出物的根源。如果铸造时冷却速率很大，原子这种缓慢的扩散将抑制晶核的形成，合金将形成非晶质。
2.4.4鸡尾酒效应
鸡尾酒的英文名称是Cocktail，是一种以蒸馏酒为酒基，再配以果汁、汽水、矿泉水、利口酒等辅助酒水，水果、奶油、冰淋、果冻、布丁及其他装饰材料调制而成的色、香、味、形俱佳的艺术酒品。它兼具了酒与果汁的长处，而淘汰了自身的缺点。勾兑出效应，融合成优势——这被人们称之为“鸡尾酒效应”。
对于高熵合金出现的各种优良的结构与性能，S.Ranganathan称之为“Multimetallic Cocktails”，也就是说这种新型的合金也有“鸡尾酒效应”，因为合金包含有多种元素，各种元素之间相互作用，兼具了各种元素的基本特性，又淘汰了各自的缺点，呈现出一种复合效应。可以通过添加或改变某些元素的含量，改善合金的微结构，加强其在合金中的特性，在不损害合金的性能的基础上提升合金的某些性能。例如添加B元素可以提高合金的耐磨性与高温压缩性能；Co、Cu、Ni元素促进FCC结构的生成，而Al、Cr促进BCC结构的生成，影响合金的强度。
2.5高熵合金的应用领域
(1)高速切削用刀具
高熵合金具有较高的硬度和耐磨性。多数高熵合金的铸态组织硬度为600～900H V，相当于或者大于碳钢及合金碳钢的完全淬火硬化后的硬度；改变合金元素的含量，还可进一步提高合金的硬度。而且高熵合金还通常表现出很高的耐热性，例如，Al0.3CoCrFeNiC0.1高熵合金在700～1000℃时效处理72h后，合金硬度非但没有下降，反而有不同程度的提升。普通高速钢，如W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2的有效切削加工温度在600℃以内，温度再高，刀具会明显钝化。此外，高速钢刃具在获得高硬度、高耐磨性的同时，牺牲了钢材的塑性及韧性，使刀具常常出现折断、崩刃等失效形式。
而高熵合金在获得高硬度的同时，具有较好的塑性、韧性。例如，FeCoNiCrCuAl0.5经50％压下率冷压(即冷压合金时的塑性变形量达到50％)后，非但没有出现任何裂纹，反而在枝晶内部出现了纳米结构，大小约数纳米到数十纳米，合金硬度得到进一步提升；AlCoCrFeNiTi1.5在32％以内的压下率内冷压，也表现出非常好的延展性。这么大比例的压下率，对于高速钢来说是不可想象的。故而高熵合金应用于高速切削刀具的制造具有明显的优势。此外，磁控溅射法制备高熵合金镀膜的成功，可以在普通钢制刀具表面镀上一层高熵合金薄膜，镀膜厚度在2．5um以内。这样一来，既可以获得良好的切削加工性能，又能节约成本。
(2)各类工具钢和模具钢
高熵合金具有高硬度、高耐磨性、高强度及优良的耐高温性能、耐蚀性，使之非常适合制备各类工、模具，尤其是挤压模和塑料模。例如A1CoCrFeNiTi1.5的抗压强度高达2.22GPa，含有Cr或Al的高熵合金具有高达1100℃的优异抗氧化
多主元高熵合金的发展现状及前景 06级材料物理与化学 刘泽 摘要 多主元高熵合金又称为高混乱度合金，其是以多种金属元素皆占有高原子百分比为特点的合金，突破了以1种或2种金属元素为主的传统合金的发展框架，是一种新的合金设计理念。高熵合金具有许多有别于传统合金的组织和性能特点。重点介绍了高熵合金的定义、组织和性能特点及其应用，并介绍了该方向的一些研究进展。 关键词：多主元合金高熵合金组织性能 引言 到目前为止，传统合金的配方仍不脱离以1种金属元素为主的观念，人类依此观念配制不同合金，采用不同的制造加工工艺，进而应用到不同的地方，都是在这个框架下发展及改善的。另外，传统合金的发展经验告诉我们，虽然可以通过添加特定的少量合金元素来改善合金的性能，但合金元素种类的过多会导致很多化合物尤其是脆性金属间化合物的出现，从而导致合金性能的恶化，如变脆，此外，也给材料的组织和成分的控制带来很大困难，因此合金元素的种类越少所能得到的金属内部结构越单纯。但是上世纪90年代初，台湾学者提出了多主元高熵合金的概念，即：就是多种主要元素的合金。在该合金中，其中每种主要元素都具有高的原子百分比，但不超过35%，因此没有一种元素能占有5O％以上，也就是说这种合金是由多种元素集体领导而表现其特色。而且研究表明，多种主元素倾向混乱排列而形成简单的结晶相。因为没有人用过如此多种主元素做出单纯的晶体结构，所以这一发现前所未见。高熵合金拥有许多特性，而极高的硬度、耐温性以及耐蚀性是其显著特点。而高熵合金材料在铸态或是完全回火状态等工艺处理下所表现出的微结构纳米化、非晶态倾向也使得高熵合金在应用性方面有着广阔的前景。目前中国台湾清华大学正联合工研院材料所、成功大学开展高熵合金大型纳米化和非晶化的研究计划。
第１９卷第３期２Ｏｌ２年６月 金属功能材料 ＭｅｔａｌＩｉｃＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＭａｔｅｒｊａｌ８ Ｖ０１．１９，Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ，２０１２机械合金化制备高熵合金研究进展 陈哲１’２，陆伟１’２，严彪ｈ２ （１．同济大学材料科学与工程学院ｔ上海２０１８０４１２．上海市金属功能材料开发应用重点实验室，上海２０１８０４；） 摘要：高熵合金作为一种新型合金逐渐被人们所关注，机械合金化是一种制备先进材料的固态加工工艺，利用机械合金化制备高熵合金也为高熵合金的发展及应用开拓了广阔的领域。本文介绍了高熵合金的简单概念，并从机械合金化中的元素选择、高熵合金粉末的后处理工艺及机械合金化制备高熵合金的研究方向三个方面综述了其研究进展。 关键词：高熵合金；机械合金化；研究进展 中圈分类号：ＴＧｌ４文献标识码：Ａ文章编号：１００５—８１９２（２０１２）０３—００５１一０５ ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅＳｓｏｆＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆ ＨｉｇｈＥｎｔｒｏｐｙＡｌｌｏｙｂｙＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡｌｌｏｙｉｎｇ ＣＥＨＮＺｈｅｌ”，ＬＵＷｅｉｌ”，ＹＡＮＢｉａ０１“， （１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒ８ｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２．Ｃｈｉｎａ； ２．ＳｈａｎｇｈａｊＫｅｙＬａｂ．ｏｆ Ｄ＆ＡｆｏｒＭｅｔａ卜ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ神ｔ：Ａ５ａｎｅｗａＩｌｏｙ。ｈｉｇｈｅｎｔｒｏｐｙａｌＩｏｙｈａｓｇｒａｄｕａｌｌｙａｔｔｒａｃｔｅｄ。ｕｒａｔｔｅｎｔｉｏｎ．Ａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌａ１１０ｙｉｎｇｉｓａｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｔｏｐｒｏｄｕｃｅａｄｖａｎｃｅｄｍａｔｅｒｉａｌ．Ｓ０ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｅｎｔｒｏｐｙａｌｌｏｙｂｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｌｌｏ—ｙｉｎｇｅｘｐａｎｄｔｈｅｆｉｅＩｄｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｊ∞ｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｌｌｏｙ．Ｔｋｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃ矗ｔｈｅｓｉｍｐｌｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆｔｈｅｈｉｇｈｅｎｔｒｏｐｙａｌｌｏｙａｎｄｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｒｅｓｅａｆｃｈｐｒｏｃｅ５５ｏｆｔｈｅａｌｌｏｙｔｉｎｃｌｕｄｉｌｌｇｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｐｏｓ卜ｐｒｏ—ｃｅ８ｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｐｏｗｄｅｒａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅａＵｏｙ． Ｋｅｙ钾ｏｒ凼：ｈｉｇｈｅｎｔｒｏｐｙａｌｌｏｙ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｌｌｏｙｉｎｇ；ｒｅｓ篦ｆｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓ 传统观念的合金通常是选择一种元素或化合物作为基体，并添加其他微量元素来提高合金某个方面的性能，来满足设计者的需求。若逐渐增加其他元素的含量成为多主元合金（即含有多种元素，且每种元素的含量均占主导地位）时，会生成很多金属问化合物，合金便会具有很高的脆性，并在加Ｔ和结构分析上都会带来一定的困难。为克服这种缺陷，我国台湾学者［１］提出了高墒合金的概念，从而改变了这种传统观念。高熵合金通常含有５种或５种以上的主要元素，且每种元素的含量均在５％～３５％之问。由于具有较高的混合熵，高熵合金通常为单一的ＦＣｃ或ＢＣＣ固溶体，从而具有优良的性能，如高强度、良好的热稳定性、较高的耐磨性和耐腐蚀性等。 目前，大多数研究者都采用电弧熔炼法制备高熵合金［２￣６］，但是传统熔炼法会限制样品的尺寸与形状，并限制其进一步应用。机械合金化（ＭＡ）作为一种制备先进材料的方法，更容易得到纳米晶和非晶结构，从而进一步提高高熵合金的性能，并扩展其应用范围。 作者简介：陈哲（１９８７一），男，辽宁锦州人．硕士生，Ｂｍａｉｌ：ｗｏｒｌｄｃｚ＠ｓｉｒＩａ．ｃｏ札通讯作者：陆伟（１９８１一）。讲师．硕士生导师，Ｅ－ＩＩＩａｉｌ：ｗｅｉｌｕ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃ也 万方数据
本科生毕业设计（论文） 文献综述 题目：高熵合金退火态拉伸性能 姓名：周华 学号：20130800630 学院：材料科学与工程学院 专业：材料科学与工程（金属材料成型加工放向）指导教师：魏然 2017年1月15日
摘要 多主元高熵合金又称为高混乱度合金，其是以多种金属元素皆占有高原子百分比为特点的合金，突破了以1种或2种金属元素为主的传统合金的发展框架，是一种新的合金设计理念。高熵合金具有许多有别于传统合金的组织和性能特点。重点介绍了高熵合金的定义、组织和性能特点及其应用，并介绍了该方向的一些研究进展。 关键词：多主元合金高熵合金组织性能 引言 到目前为止，传统合金的配方仍不脱离以1种金属元素为主的观念，人类依此观念配制不同合金，采用不同的制造加工工艺，进而应用到不同的地方，都是在这个框架下发展及改善的。另外，传统合金的发展经验告诉我们，虽然可以通过添加特定的少量合金元素来改善合金的性能，但合金元素种类的过多会导致很多化合物尤其是脆性金属间化合物的出现，从而导致合金性能的恶化，如变脆，此外，也给材料的组织和成分的控制带来很大困难，因此合金元素的种类越少所能得到的金属内部结构越单纯。但是上世纪90年代初，台湾学者提出了多主元高熵合金的概念，即：就是多种主要元素的合金。在该合金中，其中每种主要元素都具有高的原子百分比，但不超过35%，因此没有一种元素能占有5O％以上，也就是说这种合金是由多种元素集体领导而表现其特色。而且研究表明，多种主元素倾向混乱排列而形成简单的结晶相。因为没有人用过如此多种主元素做出单纯的晶体结构，所以这一发现前所未见。高熵合金拥有许多特性，而极高的硬度、耐温性以及耐蚀性是其显著特点。而高熵合金材料在铸态或是完全回火状态等工艺处理下所表现出的微结构纳米化、非晶态倾向也使得高熵合金在应用性方面有着广阔的前景。目前中国台湾清华大学正联合工研院材料所、成功大学开展高熵合金大型纳米化和非晶化的研究计划。 1. 高熵合金发展及应用现状 高熵合金概念是在1995年由台湾学者提出，在该合金中，其中每种主要元素都具有高的原子百分比，但不超过35%，因此没有一种元素能占有5O％以上，也就是说这种合金是由多种元素集体领导而表现其特色。此合金的设计理念与传
文献综述 1.高熵合金发展及研究现状 随着现代经济，科技，军事的发展，人们对于材料的性能提出了更高的要求，传统合金已经不能满足社会的要求，而传统合金的合成理念是以一种或两种元素为主要元素．同时添加适量的其他元素来改善或增加合金性能，从而获得所需具有特殊性能的合金。这种合成方式带来了问题，一，金属的结构变得越来越复杂，使我们难以分析和研究；二，过多添加其他元素，使组织中出现了脆性金属间化合物，使合金性能下降；三，限制了合金成分的自由度，从而限制了材料的特殊微观结构及性能的发展。 高熵合金的概念由台湾学者叶均蔚提出，高熵合金的概念为含有多种主要元素，其中每种主元均具有较高摩尔分数，但不超过35％，因此没有一种元素含量能占有50％以上，这种合金是由多种元素共同表现特色。这个观点摆脱了传统合金以一种金属元素为主的观念。高熵合金的主要元素种类n≥5且以≤13。对于每一种多主元合金系统可设计成简单的等原子摩尔比合金，也可设计为非等原子摩尔比合金，以及添加次要元素来改良合金性能。高熵合金易形成简单结构列如：面心立方、体心立方相。并非形成复杂的金属间化合物。这是由于多种主要元素形成固溶体合金的高混合熵加强了元素间的相溶性，从而避免发生相分离以及金属间化合物或复杂相的形成。当然在某些合金体系中高熵效应并不能完全抑制金属间化合物的生成，但是这些金属间化合物数量少并且化合物一般具有简单的晶体结构，或者这些金属间化合物相包含很多其他元素而使得其有序度大为降低。 高熵合金具有良好的发展前景，Al Fe Cu Co Ni Cr、AI TI Fe NI Cu Cr、AI Co Cr Cu Fe Ni等系列的高熵合金系列都被广大的学者研究。对于高熵合金，现阶段还可以高熵合金的微观组织结构，进行相分析及电化学性能、磁性能的测定，以建立合金元素选择理论、凝固结晶理论以及热处理理论等进行更进一步的研究。目前，制备高熵合金的方法有用传统的熔铸、锻造、粉末冶金、喷涂法及镀膜法来制作块材、涂层或薄膜。除了上述几种传统的制作加工方法外，高熵合金还可通过快速凝固、机械合金化获得，利用这两种方法获得的高熵合金，其组织更倾向于形成纳米晶体，甚至非晶体。 由于高熵合金的优异性能，随着研究的深入，我们可以研发出更多新型的金属材料，为社会发展创造价值，因此这是一个很有价值的研究，无论对于学术研究还是工业发展。 2.高熵合金的组织特点和性能特点 2.1组织特点 1）高熵合金易于形成结构简单的BCC或FCC固溶体。由吉布斯自由能公式△G mix=△H mix-T △S mix，其中G mix为吉布斯自由能，H mix为混合焓，T 为热力学温度，S mix为混合熵。通过公式得知，可看出，合金的自由能是混合焓与混合熵相互影响而得到的产物，混合熵与混合焓是对立的，形成简单结构的BCC或FCC固溶体需要的较低的自由能，由于高熵的原因，这使得合金的自由能变得较低，最终易形成简单固溶体。 2）当高熵合金在铸态或完全回火态时，高熵合金会以纳米结构或者非晶质结
项目名称: 高熵合金的相形成规律及组织-性能研究 推荐单位：北京科技大学 项目简介： 高熵合金是近二十年来通过独特的成分设计理念而开发出来的一类性能优异的新型金属材料，具有高强度、高硬度、高耐蚀和耐磨性、优异的磁学和热学等特征，在航空航天、精密机械、能源化工、信息和生物材料等高科技领域都具有重要应用或有潜在应用前景。 高熵合金多主元的成分特点，使其具有一系列不同于传统合金的组织结构和性能特征，同时也带来大量的科学问题有待解决。传统的材料理论无法对高熵合金中出现的一些新奇现象进行合理解释。高熵合金的相形成机理和结构-性能关联等是当前高熵合金研究的热点和难点，也是高熵合金领域面临的两个最基本的科学问题。 为此，从2005年起，项目组在国家自然科学基金和国家外专局和教育部“111”创新引智计划等项目支持下，利用高分辨电镜、原位中子衍射等先进实验技术结合第一性原理计算、热力学计算和统计分析对高熵合金的原子结构、相形成规律和形变机理进行了深入研究，获得了高熵合金固溶体相形成规律，揭示了高熵合金独特的结构-性能关系。基于这些规律，设计开发了一系列新型高性能高熵合金材料。项目取得了以下三个方面的原创性成果： 1. 高熵合金中相形成规律及结构预测：从原子尺寸差、混合焓和混合熵的角度出发揭示了高熵合金中固溶体相的形成规律；基于混合熵与混合焓相平衡原理，结合原子尺寸差参数提出了高熵合金相结构的设计准则。 2. 高熵合金中独特的结构-性能关系：揭示了FCC单相固溶体高熵合金中晶粒长大动力学及其独特的Hall-Petch关系；阐明了合金元素对典型高熵合金结构和性能的作用规律。
3. 新型高熵合金的研制：研制出力学性能优异的AlCoCrFeNiTi 体心立方固溶体高熵合金和面心立方固溶体结构的CoCrCuFeNiTi高熵合金；开发出高塑性、高电阻率、高饱和磁化强度的高熵合金；研制出具有拉伸塑性的高强度BCC结构TiZrHfNb难熔高熵合金。 本项目的研究成果不仅加深了对高熵合金形成机理的认识，而且在高熵合金固溶体相形成规律及合金相结构设计、以及具有优异性能的新型高熵合金的研制方面做出了重要贡献。截止到2015年6月，项目相关成果发表SCI论文60多篇，被SCI他人引用2500多次。在Progress in Materials Science、Acta Materialia 等一流学术期刊上的10 篇代表性论文被他人引用1436次，单篇SCI他引最高达321次，其中6篇论文入选ESI 前1%高被引学术论文，1篇论文入选2014年度中国百篇最具影响国际学术论文。 主要完成人及学术贡献 第一完成人：吕昭平，本项目的负责人，对本项目创新点有重要贡献，是所列代表性论文[7,8]的通讯作者，论文[1]的合作者。 第二完成人：张勇，本项目的主要参与人，对本项目创新点有重要贡献，所列代表性论文[1,2,6,9]的第一作者，论文[1,2, 3, 4, 5, 6, 9]的通讯作者 第三完成人：刘雄军，本项目的主要参与人，对本项目创新点有重要贡献，所列代表性论文[8]的合作者。 第四完成人：吴渊，本项目的主要参与人，对本项目创新点有重要贡献，所列代表性论文[7, 8]的合作者。 第五完成人：王辉，本项目的主要参与人，对本项目创新点有重要贡献，所列代表性论文[8]的合作者。 第六完成人：何俊阳，本项目的主要参与人，对本项目创新点有重要
Metallurgical Engineering 冶金工程, 2018, 5(1), 17-24 Published Online March 2018 in Hans. https://www.doczj.com/doc/3e17502386.html,/journal/meng https://https://www.doczj.com/doc/3e17502386.html,/10.12677/meng.2018.51003 Research Status of High Entropy Alloy Performance Lijuan Lan, Yingying Gu, Tianjiao Pu, Heguo Zhu* School of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu Received: Feb. 22nd, 2018; accepted: Mar. 8th, 2018; published: Mar. 19th, 2018 Abstract Due to its high strength, high hardness, excellent wear and corrosion resistance, good thermal stability at high temperatures and high oxidation resistance properties, high-entropy alloy is a new alloy with great development potential in areas such as aerospace and electronic communi-cation. Research status on the properties of high-entropy alloys is reviewed, including mechanical properties, corrosion resistance and high temperature oxidation resistance. Main effective factors on properties are separately discussed, with alloy elements, preparation process, plastic deforma-tion and alloy ratio included. The deficiencies existed in high-entropy alloys’ researches are sum-marized. The prospects of the properties of high-entropy alloys are also proposed. Keywords High Entropy Alloy, Mechanical Properties, Corrosion Resistance, Oxidation Resistance 高熵合金性能的研究现状 兰利娟，顾莹莹，濮天姣，朱和国* 南京理工大学材料科学与工程学院，江苏南京 收稿日期：2018年2月22日；录用日期：2018年3月8日；发布日期：2018年3月19日 摘要 高熵合金是一种新型合金，具有高的强度与硬度、优异的耐磨性与耐腐蚀性及强的热稳定性和抗氧化性*通讯作者。
Nature封面高熵合金：更强更韧更具延展性 5月18日，Nature封面报道了新加坡自由撰稿人XiaoZhi Lim 的一篇题为《Mixed-up metals make for stronger, tougher, stretchier alloys》（混合金属制造更强、更韧、更具延展性的合金），介绍高熵合金相关进展。 高熵合金概念由台湾科学家叶均蔚于1995年提出的。高熵合金含有多种主要元素，每种元素介于5%-35%之间。传统金属则是以一种元素为主，而高熵合金是多元素共同作用的结果。所以高熵合金是一种颠覆数千年以来的合金制备方法。与传统合金相比，高熵合金表现出更高的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀等等。 但是，高熵合金的机理及其科学问题尚未得到很好的理解。目前的高熵合金体系也只是通过“鸡尾酒”方法调配而成, 还没有科学系统的选择合金元素的理论。 以下是材料牛编辑整理的Nature文章内容： 咋眼一看，这个设备更像是在建造一个微型景观。一圈喷嘴对从四个喷管喷出的金属粉末加热，形成往下的光束。混合物进而凝聚成晶粒，形成一个逐步生长的柱状合金。当合金有2厘米高时，平台将其托到一遍，设备接着建造另一个。整个结果看起来是一个摩天大楼模型。 这些金属柱子由位于Lowa的美国Ames国家实验室建造，它反应了科学家们在对待合金上的重大改变。
制造合金的标准配方技术从远古铸剑到制造现代制造发动机引 擎叶片一直在沿用，也就是将有用的金属并混合一系列提升性能的东西，例如在铁中加碳制成钢。 但Ames的设备正在制造高熵合金实验样品，它由四个、五个，甚至更多的元素以严格的相同的比例混合而成。这种简单的配方可以出产那些比传统材料更轻、更强的合金，并且更耐腐蚀、耐辐照等等。最终，研究者们希望这个方法能够出产与以往完全不同的磁性或电性能的合金，并形成新一代技术。 北京科技大学新金属国家重点实验室张勇认为“我们几乎已经 探索过传统金属的所有方面，而对于高熵合金这方面的研究是全新的。”高熵合金尚未从实验室推广到市场，不过有研究者们正在朝这方面努力，期望在高温炉衬和超轻型航天材料等方面获得潜在应用。而这些领域同样在中国、欧洲、美国等地获得了资金支持。 帕特森空军基地实验室材料科学家Daniel Miracle认为“”我们并不是在谈论一种材料，而是上升到如何混合元素的哲学。” 找到新而激动的东西的机会是很高的。去年，他和同事们估计过从一组26个元素中，抽取3、4、5、6种金属元素等量混合，可得到大约313560种合金。更大的数量的合金可以扩展元素的选择得到。 但德国波鸿鲁尔大学的材料工程师Easo Georg认为并不是所有的混合都能奏效。科学家们仍在研究哪些是有效而哪些不是。他认为“可探索的空间仍然是非常巨大的，而我们目前只看到一小部分宇宙。”
高熵合金的研究进展 邓景泉1，操振华2 （1.滁州学院机械学院，安徽滁州239000；2.南京大学现代工程与应用科学学院，南京210093） 摘要：高熵合金（HEAs ）是多主元合金设计理念下正处在探索阶段的新型合金。本文从高熵合金的成分、相结构、制备工艺及性能等方面归纳、分析、综述了国内外最新研究进展，文章结尾讨论了该类合金的研究及发展趋势。 关键词：高熵合金；多主元；结构性能中图分类号：TB331；TF133；TB304 文献标志码：A 文章编号：1673-2928（2018）06-0011-05 收稿日期：2018-08-20 基金项目：国家自然科学基金（51671103）。作者简介：邓景泉（1966-），男，安徽蒙城人，博士，副教授，主要从事金属材料工艺及性能研究。 DOI:10.19329/https://www.doczj.com/doc/3e17502386.html,ki.1673-2928.2018.06.004 2018年11月第17卷第6期（总第96期） 安阳工学院学报 Journal of Anyang Institute of Technology Nov,2018 Vol.17No.6（Gen.No.96） 2004年我国台湾Yeh 在Advanced Engineering Materials 第一次提出了高熵合金的概念[1-2]，至今被引用800余次。高熵合金应用是一个全新的设计理念：多组员，4种或5种及以上；多主元，即每种合金元素的原子百分比相等或近似相等，每种元素都是主要元素，构成纳米尺度的材料复合，产生“鸡尾酒”效应（如图1所示） 。根据热力学知识，形成合金的自由能为：ΔGmix=ΔHmix －TΔSmix 。当合金的混合熵高到一定程度，其足以抵消混合焓的作用时，高熵的状态是自由能为负、相对稳定的 状态[3] 。合金系的混乱度高即体系的混合熵高，合金的有序度差，趋向于生成具有简单结构的相，而且生成的相的数目也远远小于经典吉布斯相律所预测的合金体系平衡相数目[4-5]。高熵合金由于多主元原子尺寸差异导致晶格各个阵点位置不同程度的偏移，产生晶格畸变。 图1五元体心立方结构高熵合金晶格示意图 Yeh [6]分析了CuNiAlCoCrFeSi 合金X 射线衍射峰的矮化、宽化数据，同一层原子面的高低不平，这使得X 射线在衍射过程中，在不平整的布拉格面 上产生明显的散射，衍射峰出现矮化、宽化，计算 的理论值与实验数据基本吻合，证明了晶格畸变的存在。Guo [7]通过中子衍射研究ZrHfNb 等多主元高熵合金，也证明了晶格畸变的存在。2013年， Tsai K Y [8] 通过FeCoNiCrMn 体系中不同的高温扩散偶实验，发现5个组元元素在该高熵合金基体中的扩散速率都要远低于其他单主元合金，表明在高熵合金中的畸变晶格应力场对扩散的阻碍以及大量不同原子困难的协调扩散导致。“鸡尾酒”效应，即多种主元高熵合金可以看作是原子尺度的复合材料，多种元素的本身特性和元素之间相互作用使高熵合金呈现一种复杂效应，印度的科学 家最早提出Ranganathan 即“鸡尾酒效应”[9] 。如果合金由较多的抗氧化元素，如铝、硅，则合金的高温抗氧化能力就会提高。1高熵合金的成份及组织结构1.1高熵合金微观结构 1.1.1面心立方固溶体结构的高熵合金 早期的高熵合金体系多以CoCrFeNi 四元面心立方固溶体为基体，加入其他元素提高性能。Yeh 等加入Cu 形成以CoCrCuFeNi 为代表的面心立方固溶体结构的高熵合金[1]；Cantor 等加入Mn 形成以CoCrFeMnNi 为代表的面心立方固溶体结构的高熵合金[6]。例如AlxCoCrFeNi [10]（x≦0.3）、CoCrCuFeMn?Ni [11-12]等都是单相面心立方结构的高熵合金。1.1.2体心立方固溶体结构的高熵合金 张勇等在CoCrFeNi 四元面心立方固溶体基体中加入Al 元素，形成以AlCoCrFeNi 为代表的体心立方固溶体结构的高熵合金。第四周期3d 副族元素及高熔点难熔炼金属元素形成的高熵合金基本
目录 摘要 (1) 1 绪论 (2) 1.1课题的提出 (2) 1.2高熵合金的发展趋势 (3) 2 实验设计 (4) 2.1实验材料的准备及制备工艺选择 (4) 2.2X射线衍射试样的制备 (6) 3高熵合金X衍射分析 (7) 3.1 X射线衍射物象分析原理 (7) 3.2高熵合金X射线衍射实验及结论 (7) 4 高熵合金的研究现状 (8) 5 结论 (10) 参考文献 (10)
青岛飞洋职业技术学院毕业论文 摘要 随着合金业的发展，传统的以单一组元为基础发展的合金体系已趋饱和,突破以1种或2种金属元素为主的传统合金的发展框架已是冶金科学家的一个追求目标。20世纪90年代,台湾科学家提出了与传统合金合计设计理念不同的高熵合金设计思路。高熵合金在近几年的研究中所表现出的各方面的良好性能，引起科学界的普遍关注、积极探索。 纯金属其强度一般都很低，不适合做结构材料。因此目前应用的金属材料绝大多数是合金。这种由2种或2种以上的金属、或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的合金正得到越来越广泛的应用[1]。目前常用的合金有锡青铜、低合金钢、高速钢、不锈钢、高温合金、铝合金、自熔合金等。几千年来随着其合金体系地发展，人类已开发使用的实用合金系共有30余种。目前应用的合金系统大多是以单一组元为基础发展起来的，例如钢铁材料和铝合金，Fe基、Ni基、Co基的超合金；起源于20世纪50年代二元基金属间化合物[2]也是1、2种金属为基础发展起来的。非晶合金（金属玻璃）作为一种新型的合金，其优良的特性和广泛的应用潜能使其制备、发展和应用都得到了普遍关注[3][4]，但其仍没有摆脱基于1～2种主要元素来提高其性能的化合物的特点。 合金中如果元素过多，会形成的许多金属间化合物和复杂相，这些金属间化合物和复杂相会导致合金性能的恶化，如脆性、难以机加工等，同时也给材料的组织和成分分析带来一些很大的困难，阻止了合金向多主元方向发展。中国台湾学者率先脱离传统合金的发展框架，提出多主元合金高熵合金概念，一种新的合金设计理念由此产生。 关键词：多主元,高熵合金,微观结构,性能
高熵合金的特点及其制备技术 摘要： 高熵合金是2004年由叶均蔚提出的一种新的合金设计方法，在过去的10多年里，被广泛的研究，取得了相当多的研究成果。高熵合金由多种含量相近的 主元混合而成，由于主元数增多，混合熵增加，混产生独特的高熵效应，并抑制 金属间化合物和其他有序相的生成。高熵合金的强化机制以固溶强化为主，部分 高熵合金还存在第二相弥散强化。高熵合金的制备方法主要是真空电弧熔炼，还 有很多新的制备方法有待探究。 关键词：高熵合金高熵效应强化机制制备方法 传统的合金都是基于一种或者两种金属为主体， 通过添加其他合金元素来获得所需要的性能。即使是 大尺寸非晶材料，其设计理念也是以多种元素构成基 体再添加其他合金元素。在2004年的时候，叶均蔚 提出了一种新的合金设计理念——多主元高熵合金， 这种合金一般含有五种或五种以上的合金元素，且每 种合金元素含量都在5%以上，没有任何一种元素占 绝对多数[1][2]。 一、高熵效应 按照传统的经验，合金元素在合金中的固溶量是 有限的。随着合金元素含量的增加，合金中出现复杂 结构的金属间化合物及复杂相，这容易使合金的脆性 增加。但是在高熵合金中，尽管添加了如此多的合金 元素，其晶体结构依然能够维持相对简单的FCC或 BCC固溶体结构，同时还具有很多优于传统合金的独 特性能，而这一切都得益于于高熵效应。 在高熵合金中，当元素数目较多而导致合金系统的混合熵高于形成金属间化合物的熵变时,高熵效应就会抑制金属间化合物的出现，而促使元素间的混合，最终形成体心立方结构（BCC）或面心立方结构（FCC）等较为简单的结构[1][2]。 根据玻尔兹曼熵的计算公式：S=kln?，熵值取决于体系的混乱程度。当各种元素以等原子比混合时，其混合熵的计算公式：ΔS= Rln(n)，其混合熵ΔS值随元素种类数量的增加而增加。当n=2时，ΔS=0.693R；当n=5时，ΔS=1.61R；当n=6时，ΔS= 1.79R。当n大于5时，这一值已经和很多金属间化合物的形成焓与
1.1 引言 金属材料的广泛使用，极大推进了社会的进步。金属材料发展最快的时间是在最近一 百多年，材料工作者通过不懈的努力，在提升金属材料各种性能上已经取得了卓越的进步，使得材料能够适应很多特殊使用环境的要求，扩大了金属材料的应用范围，例如，具有超高强度的高强钢、能够在大气以及各种腐蚀环境下保持原有性能的不锈钢以及在高温下仍具有高强度的超合金等。目前对各种材料的性能开发几乎达到了材料应用的极限范围，要想取得更大的性能提高难度较大。那么如何取得性能上的突破呢？跳出传统材料的设计理念，寻找新的突破口，是解决这一问题的有效途径，也是今后材料工作者努力的方向。 传统材料的设计思路都是以一元为主，目前人类已经开发并实用化以一元为主的合金 系有30 余种，每一合金系都是以某一种元素为主体(含量超过50%)，例如以铁为主的钢铁材料，以铁或镍为主的超合金材料等。2004 年中期，台湾研究学者提出了新的合金设计理论，即多主元高熵合金 [1] 。所谓多主元高熵合金(也称多主元高乱度合金)，就是主要元素超 过一种，一般每种不超过35%。该种合金由于多主元而体现“集体特色”，而且由于各种 主元倾向于混乱排列，从而易形成简单物相。材料研究者在很早以前也尝试过将多种金属元素一起熔炼来制备合金，但是根据以往的传统合金经验告诉我们 [2, 3] ，当合金中组元过多 时，根据吉布斯相律的计算会产生很多相，过多的中间相或化合物会使材料变得很脆，而且难于分析、加工，阻碍了对该方向的深入研究。但最新实验研究证明，事实并非如此，当合金组元的数量和含量达到一定数量后，所制备出的合金并不是得到很多复杂的中间化合物，而是呈现简单的微观结构，具有很多特殊性能以及优良的综合性能。事实表明 [4] ， 多主元高熵合金是一个可合成、加工、分析和应用的新合金世界，多主元高熵合金不仅在理论研究方面有重大价值，在工业生产方面同样具有巨大的发展潜力。 1.2 高熵合金概念 在统计热力学中，熵与系统的混乱度相联系，根据Boltzmann 关于熵与系统混乱度之 间的假设，n 种元素按照等原子比混合形成固溶体时的摩尔位形熵ΔS conf 由如下公式计算 [5] ： Rn n kwR S conf ln 1 = ln = ln=（1.1） 其中k=1.38054×10 -23