浅谈高熵合金

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

构析出。其原因是，合金熔炼时，合金中各元素的原子溶化后，各原子在液相中混乱排列，凝固过程中，由于各元素的扩散和元素再分配，使得其形核和长大变得困难，而这有利于完全回火态下的高熵合金析出纳米结构和非晶质结构。

3）合金自由能越低，合金系统越稳定。我们知道自由能G、焓H、绝对温度T以及熵S的关系为G=H-T*S。从由玻尔兹曼的熵和合金系统复杂度之间的关系假设可得知，熵值随着合金中所含元素数目提高而增加。从吉布斯自由能公式可知：合金中的焓值会随熵值得增大而减小。由此我们可以得知，当熵值得增加会使合金自由能增加，从而使合金稳定。

2.2性能特点

1）耐高温—高熵合金具有较高的混乱度，且其混乱度会随着温度的增加而增加。我们知道自由度越低，合金越稳定。由于在高温状态下，高熵合金依旧有着高的熵值，因此高熵合金在高温下依旧稳定，固溶强化依然存在，着就有了高熵合金在高温时依旧保持着较高的强度。

2）高硬度—高熵合金的结构一般是简单的面心立方结构(FCC)和体心立方结构(BCC)的固溶体。合金组成元素之间的原子半径和晶体结构等方面有着不同，合金的固溶强化效应也使得合金中的位错运动也难以进行。故此，高熵合金由着较高的硬度与强度；当高熵合金处于无位错存在的非晶态时，其强度将会变得更高。

3）耐蚀性—高熵合金在凝固时，有些元素如AL可使高熵合金形成致密的氧化膜，并且合金还具有微晶、非晶、单相及低自由焓等多种结构，所以高熵合金的耐腐蚀性能极好。

4）高熵合金还有高耐磨性、耐回火软化、高电阻率等其他优异的性能。

由于高熵合金的组织和性能特点，从研发至今已经被广泛的应用，如焊接材料、电子器械、化学仪器、船舶材料。

3.金相显微镜、扫描电镜、能谱分析、X射线衍射

3.1 金相—金相样品的制备：先将金相试样在100#砂布上进行粗磨，接着再用320#、600#、1000撑、1400抖、2000#的金相砂纸依次对其进行仔细研磨，然后在抛光机上用金刚石研磨膏对其进行机械抛光，将试样抛光到放在100倍的光学显微镜下观察，其表面无明显划痕为止。最后再用王水(浓HN03：浓Hcl=1：3)对其表面进行腐蚀。金相图的获取：将经过处理的金相试样分别放入光学显微镜和扫描电镜中，分别观察和摄取合金的微观金相组织。

3.2扫描电镜、能谱分析—通过电镜扫描实验，得到合金的微观组织形貌，然后对合金进行EDS分析，通过对合金不同相的点扫描，来获取合金组成元素在不同相中的原子百分比。

3.3X射线衍射—衍射试样的制备：采用线切割技术在纽扣形铸锭的正中间纵向切取几个标准

试样，尺寸均为5mm×5mmxlomm。在进行衍射实验前，先将衍射试样表面用砂纸进行磨平。其磨平规则是先在100#砂布上对衍射试样进行粗磨，接着再用400撑、600#、1000弹、2000#的耐水砂纸依次对其进行仔细研磨，然后再在抛光机上用金刚石研磨膏对其进行机械抛光至无明显划痕为止。衍射图谱的获取：使用衍射仪对样品进行X．my衍射试验，采用波长为0．15418nm的Cm缸射线辐射和石墨单色器滤波，管电压：40KIv，管电流：200m扫描速度是(2tll删：5de咖in，扫描角度起始时是100，停止时是800，步长是O．02deg。