高熵合金组成元素

浅谈高熵合金

文献综述

1.高熵合金的发展与研究现状

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。

高熵合金的概念是由台湾学者叶俊伟提出的。高熵合金的概念包含多种主要元素，每种元素的摩尔分数都很高，但不超过35%。因此，任何元素含量都不能超过50%。这种合金的特点是含有多种元素。这种观点打破了合金由一种金属元素主导的传统观念。高熵合金n的主要元素类型≥ 5和≤ 13.对于每个多主成分合金体系，可设计为简单的等原子摩尔比合金或非等原子摩尔比合金，并可添加二次元素以改善合金的性能。高熵合金易于形成简单的结构，如面心立方相和体心立方相。它不会形成复杂的金属间化合物。这是因为多种主要元素形成固溶体。合金的高混合熵增强了元素之间的相容性，从而避免了相分离和金属间化合物或复杂相的形成。当然，在某些合金系统中，高熵效应不能完全抑制金属间化合物的形成，但这些金属间化合物数量较少，通常具有简单的晶体结构，或者这些金属间化合物含有许多其他元素，这大大降低了它们的阶数。

高熵合金具有良好的发展前景，alfecuconicr、aitifenicucr、aicocrcufeni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。

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高熵合金的研究现状

作者：邱星武

来源：《新材料产业》2014年第09期

高熵合金又称高混乱度合金，是由我国台湾学者在20世纪90年代率先打破传统合金设计模式，提出的新合金设计理念，并成功采用真空电弧炉熔铸法制备了高熵合金。高熵合金所含元素为5种或5种以上，该类合金金相结构简单，甚至会出现非晶相和纳米相，合金具有优良的综合性能，从而成为在材料科学和凝聚态物理领域中的一个新的研究热点。

一、高熵合金的特点

高熵合金具有以下一些特点：

①高熵合金倾向于形成简单相结构的体心立方结构（BCC）或面心立方结构（FCC）固溶体。根据吉布斯自由能公式所示：△Gmix=△HmixT△Smix。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高熵合金仅在铸态又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1 000℃的高温下进行长时间（约12h）的热处理后，硬度不降反升，与传统合金形成了鲜明的对比。

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。

高熵合金的定义

高熵合金（High-entropy alloys）简称HEA，是由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金。由于高熵合金可能具有许多理想的性质，因此在材料科学及工程上相当受到重视。以往的合金中主要的金属成分可能只有一至两种。例如会以铁为基础，再加入一些微量的元素来提升其特性，因此所得的就是以铁为主的合金。过往的概念中，若合金中加的金属种类越多，会使其材质脆化，但高熵合金和以往的合金不同，有多种金属却不会脆化，是一种新的材料。

产品性能

研究发现有些高熵合金的比强度比传统合金好很多，而且抗断裂能力、抗拉强度、抗腐蚀及抗氧化特性都比传统的合金要好。高熵合金在2004年以前就已问世，但在2010年代才有许多相关的研究。

合金

合金，就是两种或两种以上化学物质（至少有一组分为金属）混合而成具有金属特性的物质，一般由各组分熔合成均匀的液体，再经冷凝而得。

合金至少会以下三种中的一种：元素形成的单一相固态溶液，许多金属相形成的混合物，金属形成的金属互化物。固态溶液的合金其微结构有单一相，部分为溶液的合金则是有二相或二相以上，其分布可能是匀相，也可能不是匀相，依材料冷却过程的温度变化而定。金属互化物一般会有一种合金或纯金属包在另一种纯金属内。

由于合金一些特性比纯金属元素要好，因此会用在特定的应用中。合金的例子包括钢、焊料、黄铜、白镴、磷青铜及汞齐等。

合金的成分一般是以质量比例来计算。合金依其原子组成的方式，可以区分为替代合金或间质合金，又可以进一步区分为匀相（只有一相）、非匀相（不止一相）及金属互化物（两相之间没有明显的边界）。

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高熵合金的研究现状　

高熵合金又称高混乱度合金，是　

由我国台湾学者在２０世纪９０年代率　

先打破传统合金设计模式，提出的新　

合金设计理念，并成功采用真空电弧　

炉熔铸法制备了高熵合金。高熵合金　

所含元素为５种或５种以上，该类合金　

金相结构简单，甚至会出现非晶相和　

纳米相，合金具有优良的综合性能，　

从而成为在材料科学和凝聚态物理　

领域中的一个新的研究热点。　

高熵合金的特点　

高熵合金具有以下一些特点：　

①高熵合金倾向于形成简单相　

结构的体心立方结构（ＢＣＣ）或面心　

立方结构（Ｆ　Ｃ　Ｃ）固溶体。根据吉布斯　

自由能公式所示：△Ｇ　－￣Ｈ　一　

了　Ｓ　式中Ｔ为热力学温度，Ｈ　为　

混合焓，Ｓ　为混合熵，Ｇ　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高熵合金仅在铸态又或是完全　

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１　０００℃的　

高温下进行长时间（约１２ｈ）的热处理　

后，硬度不降反升，与传统合金形成了　■文／邱星武　四川建筑职业技术学院　

鲜明的对比。　

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