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。”
高熵合金的想法是1995年Jien-Wei Yeh提出来的。Yeh认为，传统合金的物理性能已经得到了很好的研究，在原子层面上，纯金属有规律的晶体结构，由理想原子一层堆一层堆出。有时，这些层相互之间很容易滑动，表现到金属就是非常软而不能用。这就是纯金仅仅只能用在珠宝上。但是金属中添加了不同原子尺寸的元素之后，加入者随机地阻止原子层，降低了滑动趋势，从而创造了更硬的合金。精确的混合物可以让冶金学家调控诸如腐蚀性能或者熔点等等性能。
但是Yeh同样提示了潜在的复杂性。如果太多的元素加入进去，原子相对于层而言不再随机，进而转变成主要金属原子，成为规律性排布，让混合物变脆。
因此，这给了他一个观点，与其一种主要材料混合少量的一到两个元素，为什么不用四到五个甚至更多的元素以相同的比例混合？不同的原子有大量的可能性排列，从而导致错乱，或者高熵，如此消除了任何形成规律性能晶体结构的倾向。因为每一种随意的混合元素都是不同尺寸的，不太可能相互滑动，从而创造出非常硬的材料。
当然，这在当时是一个很奇怪的想法，即使在自己的实验室Yeh 也未将之放到一个很高的优先级上。直到2004年他的研究团队第一次报道了混合五到十种元素，得到的合金比不锈钢更硬。其他团队也在同期宣布得到了相近的结果。
选择太多了
高熵合金领域得到了快速发展。在2009年张勇报道了一种含钴、铬、铜、铁、镍、铝的合金，比纯铝强十四倍，韧性是将近三倍。2011年，Yeh报道了钴、铬、铁、镍、铝、钛合金的抗磨性能是普通抗磨钢的两倍。2014年，George及其团队研究的钴、铬、铁、镁、镍合金在液氮温度下也不会变脆。这个材料在低温设备、天然气管道和航天器等低温设备上使用。
大量的可能性是高熵合金的优点，但也是研究者们最大的挑战。Miracle认为，元素周期表上超过80种合金元素，有太多的合金而无法一一测试，也没有足够的时间。
在为航空器引擎和航天框架研究高熵合金，他在搜寻更轻、更耐腐蚀，并能在高温下保持强度。经过大量测试，Miracle将范围缩小到铌、钽、铬等金属，它们的熔点很高。
另一个战略是复制目前已经了解的合金的性能。例如，有些钢不仅仅是随机混合原子，在快速冷却时形成了小型的化合物。尽管这种化合物的稳定性不如随机混合结构，但表现出比钢更高的弹性。MIT 金属学家Cem Tasan曾经将铁、镁、钴、铬混合进高熵合金，得到了极度的高硬度和高弹性，而这两个性能看起来似乎是完全相反的。Tasan 认为“放弃任何我们知道的知识是不明智的”。
Ames中的迷你摩天楼意味着另一种更系统化的方法。Ames的设备可在不到一个小时内建造30个合金柱，每一个的原材料只有细微的差别，如此研究者们可以快速的测试合金的性能。
Ames材料科学家Matthew Kramer正在主导一个研究：寻找可以抵御高温和腐蚀的高熵合金，以帮助火电厂在高温下更有效运作。
而协助他的团队的是Ames的理论学家Duane。在1995年，Johnson 发明了一套运算法则，在传统合金制造出来之前预测性能。2015年，他扩展了适用高熵合金的运算法。Johnson的法则评定一个元素到何种程度就会被另一个吸引或者排斥，然后利用这个信息预测元素的混合是形成化合物、固溶体或者两者都有。如此让Kramer的团队确定哪种合金值得一试，进而实验数据反馈给程序以修正，提高准确性。
高熵合金领域前进道路上有大量障碍。目前关注点是提高结构性能，但对于特殊功能性能合金则没有多少工作在做。
尽管如此，还有大量的可能性需要探索，尤其是科学家们开始扩展最初的高熵合金的界定。例如，张在将碳、氮、硅混合进合金以研发新型的高温陶瓷，用于光伏。不仅如此，包括Tasan、Yeh在内，开始实验混合大量元素但不是等比例的效果。初步结果显示大多数合金仍然保持了高熵合金的性能。例如，Yeh测试了一种抵御擦伤的新型超硬材料，50%的氮、碳或者氧，以及一些其他元素如铝、硅或者钛组成，可用于机器部件和切割工具上的涂层。
George认为“我们现在有更丰富的领域要探索了。”
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/c39031098.html,/journal/meng https://https://www.doczj.com/doc/c39031098.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/c39031098.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