浅谈高熵合金

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。

2.高熵合金的组织和性能
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。

根据吉布斯自由能公式△ gmix=△ hmix-t△ 其中gmix是吉布斯自由能，hmix是混合焓，t是热力学温度，smix是混合熵。

从公式中可以看出，合金的自由能是混合焓和混合熵相互作用的产物。

混合熵和混合焓是相反的。

形成简单的BCC或FCC固溶体需要较低的自由能。

由于高熵，合金的自
由能变低，容易形成简单的固溶体。

2）当高熵合金处于铸态或完全回火状态时，高熵合
金将形成纳米结构或非晶结
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）合金的自由能越低，合金体系越稳定。

我们知道自由能g、焓h、绝对温度T和
熵S之间的关系是g=h-T*S。

根据玻尔兹曼熵和合金系统复杂性之间的关系，熵随着合金
中元素数量的增加而增加。

吉布斯自由能公式表明，合金中的焓随熵的增加而降低。

由此
可知，当熵增加时，合金的自由能增加，从而使合金稳定。

2.2性能特征
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通常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存在差异。

合金的固溶强化效应也使
合金中的位错难以移动。

因此，高熵合金具有更高的硬度和强度；当高熵合金处于无位错
的非晶态时，其强度将变得更高。

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）高熵合金还具有其他优异的性能，如高耐磨性、抗回火软化性、高电阻率等。

由
于高熵合金的微观结构和性能特点，自研发以来，它被广泛应用于焊接材料、电子仪器、
化工仪器和海洋材料等领域。

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：先在100#砂布上粗磨金相样品，然后依次用320#、
600#、1000#、1400#、2000#金相砂纸仔细研磨，然后在抛光机上用金刚石研磨膏机械抛光。

在100倍光学显微镜下观察时，抛光样品，直到表面无明显划痕。

最后，用王水（浓hn03：浓HCl=1:3）腐蚀表面。

金相图的获取：将处理后的金相试样分别放入光学显微镜
和扫描电镜中，分别观察和拍摄合金的显微组织。

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。

3.3 X射线衍射-衍射样品制备：用线切割技术纵向切割钮扣中间的几个标准
试样，尺寸均为5mm×5mmxl omm。

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。

利用X射线衍射实验得到的合金衍射图样分析了合金的晶格类型。

4.硬度实验、抗压缩性实验、抗腐蚀性实验
4.1硬度测试——使用well 50维氏硬度计测试硬度样品的硬度值。

试验前，每个试
样的表面都用100#砂布粗略打磨，然后用400#、600#、100#水砂纸逐渐打磨，使其表面
平整，便于硬度试验。

负载为30kg，保压时间为30s。

在每个样品的七个不同部分测试硬
度值，去除最大值和最小值，然后取平均值。

4.2抗压缩性实验―将尺寸为5mm×5mm×10mm的标准试样放在电子万能试验机上进行压缩实验测试，其加载速率设为0．1mm／min。

每组合金都选用三个试样来进行压缩试验
以得到合金的室温压缩性能，然后再用origin软件画出合金试样的压缩应力一应变曲线图。

最后将试样的压缩断口放入扫描电镜中，对试样的压缩断口进行分析。

4.3耐腐蚀性试验——将各组合金的切割标准样品分别放入1mol/L NaCl溶液、
0.5moi/L h2s0溶液和1moi/L NaCl+0.5mol/L h2s04混合溶液中，在室温下分别蚀刻260
和2000小时，然后研究和比较腐蚀前后的失重情况，并比较它们的耐腐蚀性。