机械合金化制备高熵合金研究进展

高熵合金（FeCoCrNiMn）制备新工艺开发及产品应用研究高熵合金（FeCoCrNiMn）制备新工艺开发及产品应用研究摘要：高熵合金是一种由多种元素组成，具有高度均匀固溶度的新型金属材料。

本文通过开发新的工艺制备高熵合金（FeCoCrNiMn），并对其在不同领域的产品应用进行研究。

通过采用真空熔炼与高温合金化的方法，成功制备出具有均匀结构的高熵合金材料。

通过对其力学性能、热稳定性以及耐腐蚀性进行测试，证明了FeCoCrNiMn高熵合金在航空航天、能源、汽车和医疗等领域具有广阔的应用前景。

一、引言高熵合金是一种由多种元素组成，元素浓度相对均匀的新型合金材料。

其具有独特的组织结构和优异的性能，被广泛应用于航空航天、能源、汽车和医疗等领域。

为了开发新的高熵合金材料，在此针对FeCoCrNiMn合金进行了研究。

二、材料与方法本研究采用真空熔炼法与高温合金化工艺相结合的方法，制备了FeCoCrNiMn高熵合金。

首先，选取适当比例的Fe、Co、Cr、Ni和Mn等原料，并将其放入真空熔炉中进行熔炼。

随后，将熔炼后得到的合金块进行加热处理，达到高温合金化的目的。

三、结果与讨论通过X射线衍射、扫描电镜和能谱仪等分析手段，对制备得到的高熵合金进行了表征。

结果显示，FeCoCrNiMn合金样品具有均匀的固溶度和细小的晶粒尺寸。

同时，该合金还表现出较高的强度和良好的塑性，满足了广泛的应用需求。

进一步的测试还表明，FeCoCrNiMn高熵合金具有良好的热稳定性和抗腐蚀性能。

在高温环境下，该合金表现出较低的应力松弛和持久力。

此外，在腐蚀试验中，该合金也显示出较低的腐蚀速率。

这些优异的性能使得FeCoCrNiMn合金适用于航空航天和能源领域，如高温燃烧器、燃气涡轮等。

四、结论本研究通过开发新的工艺制备了高熵合金（FeCoCrNiMn）。

通过对其力学性能、热稳定性和耐腐蚀性进行测试，证明了该合金在航空航天、能源、汽车和医疗等领域具有广阔的应用前景。

材料科学中的高熵合金：探索高熵合金的制备方法、微观结构与优异性能摘要高熵合金（HEAs）作为一种新型的多主元合金材料，因其独特的微观结构和优异的综合性能而备受关注。

本文综述了高熵合金的制备方法、微观结构特征及其对力学、物理和化学性能的影响。

重点讨论了高熵合金在高温、腐蚀和磨损等极端环境下的应用潜力，并展望了其未来的发展方向。

关键词：高熵合金，制备方法，微观结构，力学性能，应用1. 引言传统合金通常以一种或两种主要元素为主，其他元素作为合金化元素添加。

然而，高熵合金打破了这一传统观念，它由五种或五种以上主要元素组成，每种元素的原子占比在5%到35%之间。

这种独特的成分设计赋予了高熵合金高构型熵、晶格畸变和缓慢扩散效应等特点，使其在许多方面表现出优于传统合金的性能。

2. 高熵合金的制备方法高熵合金的制备方法多种多样，主要包括以下几种：•真空熔炼法：这是最常用的制备方法，通过在真空环境下熔炼多种金属元素，然后进行凝固和后续热处理，可以获得成分均匀的高熵合金。

•粉末冶金法：将多种金属粉末混合均匀后，通过压制和烧结等工艺制备高熵合金。

这种方法适用于制备成分复杂或熔点差异较大的高熵合金。

•机械合金化法：通过高能球磨将多种金属粉末混合均匀，并诱发固态反应，形成高熵合金相。

•增材制造法：利用激光或电子束等能量源，逐层熔化金属粉末或丝材，构建三维高熵合金零件。

这种方法具有设计灵活、制备周期短等优点。

3. 高熵合金的微观结构高熵合金的微观结构与其成分、制备工艺和热处理制度密切相关。

主要包括以下几种：•单相固溶体：这是最常见的微观结构，所有元素均匀分布在晶格中，形成面心立方（FCC）、体心立方（BCC）或密排六方（HCP）等结构。

•多相结构：高熵合金中可以形成多种金属间化合物、固溶体或非晶相等，这些相的分布和形态对合金的性能有重要影响。

•纳米晶/非晶结构：通过快速凝固、机械合金化或增材制造等方法，可以获得具有纳米晶或非晶结构的高熵合金，这些结构通常具有更高的强度和硬度。

精密成形工程第15卷第8期孟爽，国栋，赵冬凤，余青，林毛毛（天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300222）摘要：高熵合金具有独特的微观结构和特性，作为一种新型的高性能材料，逐渐获得了国内外研究人员的广泛关注。

高熵合金具备多元化的元素组成方式，不但没有形成传统概念中复杂的相结构，反而展现出了更优异的性能，在诸多领域均具有良好的应用前景。

在当前的高熵合金体系中，CoCrFeNi系研究最为广泛，其研究内容主要体现在通过添加不同元素或进行退火热处理对原合金体系改性进而获得优异性能的材料。

首先，结合CoCrFeNi体系对高熵合金的定义和性能特点进行了分析和总结；其次，从热力学和动力学角度论述了CoCrFeNi系高熵合金的结构预测、层错能计算及缺陷动力学分析；再次，总结了Al、Ti、Cu、Mn 和C元素对CoCrFeNi系高熵合金显微组织和力学性能的影响；最后，分析了当前的研究现状并进行了展望。

关键词：高熵合金；CoCrFeNi系；模拟计算；合金元素；力学性能DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.08.019中图分类号：TG139 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)08-0156-13Research Progress of CoCrFeNi High Entropy AlloyMENG Shuang, GUO Dong, ZHAO Dong-feng, YU Qing, LIN Mao-mao(Faculty of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China)ABSTRACT: As a new high performance material, high entropy alloy has gradually got the attention of the world in recent years due to its distinctive microstructure and properties. The diversified element composition not only avoids the formation of complex phase structures in the traditional concept, but also exhibits superior performance to conventional alloys and has a wide range of potential applications. The CoCrFeNi system is now the mostly studied high entropy alloy system, which is mostly seen in the modification of the original alloy system through the addition of other elements and annealing treatment to produce supe-rior material properties. The definition and characteristics of a high entropy alloy combined with the CoCrFeNi system were firstly examined and summarized. Then, the structure prediction, calculation of layer fault energy and defect dynamics analysis of CoCrFeNi high entropy alloy were discussed from the perspective of thermodynamics and dynamics. Next, the effect of Al, Ti, Cu, Mn and C elements on the microstructure and mechanical properties of CoCrFeNi high entropy alloy was summarized. Fi-收稿日期：2023-04-21Received：2023-04-21基金项目：国家自然科学基金（52074193）；天津市自然科学基金科技计划重点项目（22JCZDJC00770）；天津市教委科研计划重点项目（2022ZD022）Fund：National Natural Science Foundation of China(52074193); Key Project of Tianjin Natural Science Foundation Science and Technology Program(22JCZDJC00770); Key Projects of the Tianjin Education Commission's Research Program(2022ZD022)作者简介：孟爽（1995—），女，硕士生，主要研究方向为高熵合金。

高熵合金的特点及其研究现状高熵合金（High-Entropy Alloys）是一种新型的金属材料，其特点主要体现在以下几个方面：1.多元组分：高熵合金由多个元素组成，通常由五种或更多元素组成，每种元素的摩尔百分比相近。

与传统的合金相比，高熵合金的元素组成更加均匀，更多元化。

这种均衡的组成能够增加材料的稳定性和均一性。

2.高熵效应：高熵合金中的元素呈现出一种无序分布的特征，这种无序分布被称为高熵效应。

高熵效应使得材料具有更高的熵（即元素的随机性），从而导致材料具有独特的结构和性能。

高熵效应能够提高合金的力学性能、耐腐蚀性和高温稳定性等方面的特点。

3.高强度和硬度：高熵合金由于结构的复杂性和高熵效应的存在，通常表现出非常高的强度和硬度。

这使得高熵合金在航空航天、汽车、能源和医疗设备等领域具有巨大的应用潜力。

4.耐腐蚀性：高熵合金中多元素的存在能够增强材料的耐腐蚀性。

高熵合金能够在极端环境下有良好的抗氧化和耐腐蚀性能，使其成为一种理想的材料选择。

目前，高熵合金的研究领域主要有以下几个方面：1.合金设计：合金设计是高熵合金研究中的关键问题。

通过制定适合的合金设计策略，可以合理选择不同元素的摩尔百分比和比例，以实现理想的性能。

常用的合金设计策略包括等原子比合金、渗碳合金等。

2.组织结构研究：研究高熵合金的组织结构对于了解其性能和行为具有重要意义。

通过使用传统的金相显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射等技术，可以观察合金的晶体结构、相组成和相变行为等。

3.模拟计算：通过分子动力学模拟和第一性原理计算等方法，能够模拟高熵合金的微观结构和性能。

这些计算方法为合金设计和性能预测提供了重要的理论依据。

4.性能优化：通过引入合适的合金元素和调整合金组成，可以进一步提高高熵合金的性能。

例如，通过添加一定比例的轻质元素，可以增强合金的塑性和韧性，从而改善其加工性能。

总体而言，高熵合金是近年来材料科学研究的热点领域之一、在未来，随着更多的研究和应用，我们可以期待高熵合金在各种领域的广泛应用和进一步发展。

各类高熵合金的研究进展高熵合金（High Entropy Alloys，HEAs），又称为多主元合金或超高质量合金，是由五个或更多不同元素组成的合金。

与传统的合金不同，高熵合金的元素组成非常多样，因此它们具有出色的力学、热学和电学性能。

近年来，高熵合金的研究引起了广泛的关注，并在许多领域展示了潜在的应用价值。

以下是各类高熵合金的研究进展的概要：1.基于过渡金属的高熵合金：基于过渡金属的高熵合金是目前最广泛研究的一类高熵合金。

这些合金由过渡金属元素（如Ti、V、Cr、Fe和Ni）组成，通常与其他非过渡金属元素（如Al和Si）以及稀土元素（如Y、La和Ce）共同形成。

通过调节元素的组成和比例，可以实现合金具有出色的机械性能、耐热性能和耐腐蚀性能。

2.基于高熔点金属的高熵合金：基于高熔点金属的高熵合金以高熔点金属元素（如Mo、Nb、Ta、W和Re）为基础，添加其他金属元素以增强强度和韧性。

这些合金通常具有较高的熔点和优异的耐热性能，适用于高温应用领域，如航空航天和能源。

3.基于贵金属的高熵合金：基于贵金属的高熵合金由贵金属元素（如Au、Ag和Pt）组成，通常与其他合金元素（如Cu和Ni）共同形成。

这些合金因其良好的力学性能和化学稳定性而备受关注，可用于珠宝、电子器件和催化剂等领域。

4.基于非金属的高熵合金：基于非金属的高熵合金是由非金属元素（如碳、氮和硼）以及合金元素（如Cr和Fe）构成的。

这些合金通常具有优异的硬度、强度和耐磨性能，适用于刀具、磨料和涂层等领域。

在高熵合金领域的研究中，近年来涌现出一些新的进展，例如：-通过合金化元素和热处理工艺的优化，改善了高熵合金的机械性能和耐蚀性能。

例如，在基于过渡金属的高熵合金中，通过优化元素的配比可以获得高强度和高韧性的合金。

-研究人员还探索了高熵合金的相变行为和微观组织结构对性能的影响。

通过理解相变机制和凝固过程，可以调控高熵合金的组织结构，从而实现更好的性能。

⾼熵合⾦的研究现状毕业论⽂⾼熵合⾦的研究现状毕业设计（论⽂）原创性声明和使⽤授权说明原创性声明本⼈郑重承诺：所呈交的毕业设计（论⽂），是我个⼈在指导教师的指导下进⾏的研究⼯作及取得的成果。

尽我所知，除⽂中特别加以标注和致谢的地⽅外，不包含其他⼈或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历⽽使⽤过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个⼈或集体，均已在⽂中作了明确的说明并表⽰了谢意。

作者签名：⽇期：指导教师签名：⽇期：使⽤授权说明本⼈完全了解⼤学关于收集、保存、使⽤毕业设计（论⽂）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论⽂）的印刷本和电⼦版本；学校有权保存毕业设计（论⽂）的印刷本和电⼦版，并提供⽬录检索与阅览服务；学校可以采⽤影印、缩印、数字化或其它复制⼿段保存论⽂；在不以赢利为⽬的前提下，学校可以公布论⽂的部分或全部内容。

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作者签名：⽇期：年⽉⽇导师签名：⽇期：年⽉⽇注意事项1.设计（论⽂）的内容包括：1）封⾯（按教务处制定的标准封⾯格式制作）2）原创性声明3）中⽂摘要（300字左右）、关键词4）外⽂摘要、关键词5）⽬次页（附件不统⼀编⼊）6）论⽂主体部分：引⾔（或绪论）、正⽂、结论7）参考⽂献8）致谢9）附录（对论⽂⽀持必要时）2.论⽂字数要求：理⼯类设计（论⽂）正⽂字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），⽂科类论⽂正⽂字数不少于1.2万字。

高熵合金的制造工艺、性能及应用研究任务书1．设计的主要任务及目标1）掌握高熵合金的概念、了解高熵合金和传统合金的区别2）掌握高熵合金的制造工艺。

3）掌握高熵合金的性能特点及其应用。

通过查阅文献获得高熵合金的具体制造工艺、各种性能指标及应用范围。

2．设计的基本要求和内容1）查阅10篇以上的科技文献。

2）完成毕业设计的各项任务3）完成毕业设计的开题答辩、中期检查。

4）按照毕业论文的撰写要求完成毕业论文、参加答辩。

3．主要参考文献[1]李建忠，张志．《多主元高熵合金FeCoNiCuxA1微观组织结构和性能》J．中国材料科技与设备，2008.6[2]李安敏，张喜艳．《Al对Al-Cr-Cu-Fe-Ni高熵合金的组织与硬度的影响》J．热加工工艺，2008，37(4)：26-28．[3]高家诚，李锐《AlZnSnSbPbMnMg高熵合金显微组织和耐热性的研究》重庆大学材料科学与工程学院。

[4]张林，边秀房.《铝硅合金的液相转变》j.1995，4．进度安排高熵合金的制造工艺、性能及应用研究摘要:中国台湾学者首次制备高熵合金的方法是真空电弧炉熔铸法, 而后应用磁控溅射方法制备多主元高功能合金镀膜。

近期印度学者应用机械合金化的方法也成功制备了高熵合金。

高熵合金可以采用传统的熔铸、锻造、粉末冶金、喷涂法及镀膜法来制作块材、涂层或薄膜, 使其应用多姿多彩。

作为一种新型的合金材料，高熵合金表现出许多优良的特性，其中极高的硬度、强度、良好的热稳定性和耐腐蚀性以及良好的塑韧性等是其显著特点。

多主元高熵合金表现出与传统合金不同的特性，而且通过不同的元素搭配可获得种类繁多的新型合金。

高熵合金不同于传统合金的设计理念为新型合金打开了一扇新的大门，是通向另外一个合金世界的窗口。

高熵合金所具有的结构特性和性能特性使其具有广阔的应用前景。

关键词：高熵合金，特性，应用Hi gh entropy alloys manufacture process, performance andapplication researc hAbstract:Chinese scholars in Taiwan for the first time the preparation of high entropy alloys is the vacuum arc furnace smelting method, and application of magnetron sputtering method preparation of many principal component function of high alloy coating. The recent Indian scholar application of mechanical alloying method has high entropy alloys was successfully achieved. High entropy alloys can be used in a traditional casting, forging, powder metallurgy, spraying and coating method to make a piece of material, coating, or thin film, make its application more colorful.As a new type of alloy material, high entropy alloys exhibit many excellent characteristics, including high hardness, strength, good thermal stability and corrosion resistance and good plastic toughness is its salient features. Many principal characteristics of high entropy alloys show different from the traditional alloy, and through different element collocation can obtain a wide variety of new type alloy.Different from traditional high entropy alloy design concept for the new type of alloy opens a new door, leads to another alloy window of the world. Structure features and performance characteristics of high entropy alloys have has the broad application prospect.Keywords: High entropy alloys, characteristics, application目录1前言 (1)1.1概述 (1)1.2论文研究的目的及意义 (2)1.3高熵合金的研究现状 (4)2高熵合金相关概念 (12)2.1高熵合金的定义 (12)2.1.1固溶体混合熵的定义 (12)2.1.2高熵合金的界定 (13)2.2高熵合金的理论依据 (14)3高熵合金的制备、性能及应用 (16)3.1高熵合金的制备 (16)3.1.1激光熔覆熔炼法 (16)3.1.2电弧熔炼法 (16)3.1.3高频感应炉加热熔炼 (17)3.1.4其他熔炼方法 (18)3.2高熵合金的性能 (18)3.3多主元效应 (19)3.4高熵合金的应用 (21)4高熵合金涂层的金相组织观察 (24)4.1仪器介绍 (24)4.2金相组织观察 (25)结论 (27)参考文献 (28)致谢 (29)1前言1.1概述自古以来,金属材料的发展对人类文明就有着极大的影响,人类由石器时代进入铜器时代再进入铁器时代,几千年来一直是把金银铜铁锡等五金当作饰品、器具、工具、武器的主体材料。

高熵合金材料的研究进展高熵合金材料是一种近年来备受关注的新型金属材料，其主要特点是具有高度的熵值和良好的机械性能。

与传统的单组元合金相比，高熵合金材料由多种元素组成，且其组成成分中每种元素的比例都非常接近，因此其组织结构也具有高度的熵值。

高熵合金材料有着广泛的应用前景，可以在能源、航空航天、机械制造等领域得到应用，因此研究高熵合金材料的制备和性能也已经成为了当代材料科学研究领域的热门话题。

一、高熵合金材料的制备方法目前，高熵合金材料的制备方法主要包括机械合金化法、电弧熔炼法、热喷涂法和粉末冶金法等。

其中，机械合金化法是一种将微米级别的元素混合在一起，并通过球磨或高能球磨等手段对元素进行混合的方法，其优点是可以实现成分的精细调节和微观组织的控制；电弧熔炼法则是一种高温下将元素熔化混合的方法，其优点是可以得到高质量的高熵合金材料；热喷涂法可以通过在基材上喷涂不同种类的元素，再进行处理得到高熵合金材料；粉末冶金法则是通过混合不同元素的粉末，并进行冷压成型、热处理等步骤，最终得到高熵合金材料的方法。

二、高熵合金材料的性能高熵合金材料的主要特点是组成成分中各元素比例相似，因此其组织结构也更为随机和复杂，形成了一种具有高度熵值的材料，故具有一系列独特的性能。

其中，高熵合金材料的高温下的稳定性比较好，可以在高温下保持较好的机械性能；高熵合金材料的抗腐蚀性能也比较好，不会在湿润、潮湿环境下发生氧化、腐蚀等问题，可以作为一种新型的耐腐材料；此外，高熵合金材料还具有高的硬度和韧性，可以在极端条件下工作等。

三、高熵合金材料的应用前景高熵合金材料的特殊性能为其在能源、航空航天、机械制造等领域的应用提供了广泛的前景。

例如，在航空航天领域，高熵合金材料可以作为结构材料、燃料喷嘴材料和导热材料等使用；在能源领域，高熵合金材料可以作为核反应堆内部结构材料、太阳能电池材料等使用；在机械制造领域，高熵合金材料可用于制造刀具、模具、轴承等特殊用途的零件。