高熵合金

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1 绪论1.1课题的提出材料是人类文明进步的物质基础。

随着技术日新月异的发展，人们把材料科学并列于信息、生物、海洋、空间、新能源和环境科学技术，成为当今高科技体系的重要支柱之一。

材料的发展记载着人类文化进展的发展，对于人类认识世界、改造传统材料、发展新型材料、促进社会文明，具有不可估量的影响。

在众多应用材料中，金属材料是一大类，在国民生产、生活领域起着不可替代的作用。

金属材料经过原始钢铁生产阶段、金属材料学科的基础发展、微观组织理论大发展阶段及微观理论的深入研究[1]等四个阶段的发展，金属材料业已经逐渐成熟和发展起来。

一直以来在国民产业中，常用的纯金属有铁、铜、镍、钴、钨、钼、铬、钛等。

由于单个纯金属性能的局限性，为了使金属得到最大化的应用，金属之间开始化合形成合金，来提高金属材料的使用性能。

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。

合金正得到越来越广泛的应用[2]。

合金在宏观上都具有一般金属元素所具有的共同特征。

因此，人们常把“合金”与“金属材料”两词相互替代使用。

金属材料是一种历史悠久、发展成熟的工程材料，几乎是和人类历史相互并进。

人类由石器时代进入金属时代是以青铜器的创造和应用作为重要标志的；春秋战国时代开始使用铁器(以铸铁的熔炼和应用开始)；由铸铁到炼钢，则又是一个较大的飞跃。

历史事实证明钢铁的应用的兴起，人类社会生产和科学技术的发展就日益紧密的和钢铁逐步联系在一起，以非常迅猛的速度向前发展，也带动了其它有色金属的发展。

这些都使金属材料进入了一个大发展的新阶段，各种新型材料也随之大量出现[3]。

长期以来，金属材料一直是最重要的结构材料和功能材料，钢铁、铜合金、铝合金、镍合金等都是最重要和广泛应用的传统金属材料，即使21世纪，也不能否定金属材料的重要作用。

金属材料具有高强度、优良的塑性和韧性、耐热、耐寒、可铸造、锻造、冲压和焊接性能, 此外还有良好的导电性、导热性和铁磁性等, 因此是一切工业和现代科学技术中最重要的应用材料。

近一二十年来, 金属材料的发展受到了巨大的压力, 这种压力来自外部和内部两个方面。

就外部来讲, 材料领域从金属材料的一统天下转变为金属、陶瓷、高分子材料三足鼎立的新格局。

从内部来讲主要是能源、资源和环境三个方面以及金属材料的发展方向[4]。

这些问题都对金属材料今后的发展提出了有力的挑战。

几千年来，金属材料及其合金体系在各个领域得到广泛应用，为人类工、农、商等领域的发展有不可替代的作用。

目前人类已开发使用的实用合金体系共有30余种，在国民经济中得到广泛的应用。

现在实际存在应用的合金系统大多是以单一组元为基础发展起来的（主要元素一般都超过50%），例如Fe基、Cu基、Al基合金以及Ni基、Co 基超合金等，即便有比较多量的其他元素的加入，也只是为了对合金某一方面性能进行改善。

20世纪50年代，Ti-Al、Ni-Al、Fe-Al二元基金属间化合物体系由于其优良性能和高热阻性开始受到普遍关注[5]。

非晶合金（金属玻璃）是最近迅速发展起来的一种新型合金，合金固态时具有短程有序，长程无序的特征，是一种亚稳结构的合金。

其原子在三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围内保持这种状态相对稳定。

非晶合金不仅具有极高的强度，韧性，耐磨性和耐腐蚀性，而且还拥有优良的软磁性能和超导性，在电子、机械以及化工等领域得到了广泛的应用[6-7]。

近年来Inoue研究出大尺寸非晶材料（Bulk amorphous materials），在国际上受到相当大的重视，已有几所著名大学与国家实验室从事大尺寸非晶材料的探讨。

尽管大尺寸非晶合金在尺寸上有相当不错的进展，但其合金设计仍没有脱离以一元合金或者二元合金为基的设计思路。

随着合金业的发展，传统合金体系发展已趋于饱和，突破以一元合金或二元合金为基的传统合金发展框架已是冶金科学家的一个追求目标。

根据传统合金设计观念，如果金属主元素太多，会形成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，如脆性增加、难以机加工等，同时也给材料的组织和成分分析带来一些困难[8-9]，这些都是阻碍合金向多主元方向发展的原因。

台湾学者率先脱离传统合金的发展框架，提出新的合金设计理念，即多主元高熵合金。

高熵合金是最近材料领域发展出来的一种新型合金材料，这种合金所含主要元素数目n≥5，每种元素都有较高的原子百分比，但不超过35%，没有一种元素能占50%以上，多种元素处于领导地位而表现出集体特点。

因此，传统合金设计中只有1～2种主要元素的混合熵应属于低熵合金的范畴，与高熵合金形成鲜明对比。

在近几年的研究中，发现高熵在各个方面都表现出良好的性能，已经引起科学界的普遍关注和积极探索，此研究领域已成为学术研究及工业的丰富宝藏。

1.2高熵合金发展趋势高熵合金发展也并不非常迅速，自20世纪90年代中期提出，在国内外科学工作者努力下进行了一定的研究，直到2004年才有相应的研究成果。

因此，2004年之前没有相应的研究工作在中国台湾之外的地区开展。

我国国内在这方面的研究刚刚起步，目前主要是对某些特定的多主元高熵合金结构、性能等进行了研究和探索，如高熵合金Al0.5CoCrCuFeNi中添加钒元素对其微观结构、硬度、抗腐蚀性能的影响[21]；面心立方结构的高熵合金CuCoNiCrA l0.5Fe添加硼元素后的抗磨损性能及高温压缩性能研究[22]；多种元素高熵合金AlxCoCrCuFeNi微观结构特点的研究[23]；Al x CoCrCuFeNi多主元高熵合金机械性能的研究[24]；多主元高熵合金AlTiFeNiCuCr x微观结构和力学性能[25]等的研究。

所做的一些研究大部分是针对其硬度、耐高温性以及耐磨损性能方面。

人们还需进一步研究高熵合金的微结构，进行相图、热力学分析，物理、化学及机械性能(如塑性)的测定，建立科学的选择合金元素理论、高熵合金的熔铸理论、凝固结晶理论、压力加工理论与热处理理论等[14]。

关于高熵合金，无论理论研究还是实验研究结果都非常少。

人们对这一合金化过程的机理以及其中涉及到的诸多科学问题基本还没有什么认识，现在出现的一些高熵合金体系只是通过所谓的鸡尾酒式的方法调配而成，还没有科学选择合金元素的理论[26]。

此外，对于高熵合金凝固后的组织形成以及各方面的性能比如力学性能、耐高温和耐磨性能、电学和磁学性能以及其它一些物理性能，都还没有清晰的认识，所以至今高熵合金对人们来说仍然是了解比较少。

多主元高熵合金被认为是最近几十年来合金化理论的三大突破之一(另外两项分别是大块金属玻璃和橡胶金属)[27]。

高熵合金的研究具有前瞻性，具有学术研究及应用价值，有着非常广阔的应用前景。

由于高熵合金应用潜力的多元化，面对的产业也将会是多元化，因此传统合金工业的升级及高科技产业的发展也将为高熵合金开辟无限发挥的空间，对传统冶金行业的提升无疑具有重要意义。

2 实验设计2.1 实验材料的准备及制备工艺选择2.1.1.实验材料准备本课题是通过对熔炼和热喷涂两种制备工艺下的高熵合金的显微观组织结构、显微硬度、耐腐蚀等性能进行分析研究。

对高熵合金的微观组织结构特点和性能进行初步探讨。

本实验制备高熵合金主要材料是以Al、Cu、Fe、Cr、Ni、Ti、V、Co，Ti元素为主，纯度在99.9%～99.99%，形状为粉末状和块状等易加工的形状。

本实验中熔炼部分采用的块状材料。

采用热喷涂制备合金涂层的材料采用金属粉末，材料粒度在300目左右。

下表是本试验中熔炼试样和热喷涂试样成分及其配比。

表2.1 六种熔炼制备合金试样成分及其比例2.1.2制备工艺选择采用多功能真空电弧炉制备熔炼合金试样电弧炉是用一种电弧作为加热方式的电炉，电弧是气体的一种弧光放电。

气体弧光放电极间电压很低，通过气体的电流却很大，有耀眼的白光，弧区温度很高（约5000k）。

真空电弧炉是在真空条件下利用电弧热能熔炼金属的一类电炉。

1953年真空电弧炉正式用到工业上。

目前发展的情况可以用美国康撒克公司制造的真空自耗炉为代表。

在真空状态下对工件（或材料）进行熔炼、热处理，可提高工具、模具的使用寿命，无氧化、无脱炭、表面光亮、变形小、节省能源无公害，并改变机械性能和冶金性能等优点。

本实验中合金的熔炼采用多功能真空电弧炉在 (如图2.1)氩气的保护下，对合金进行熔炼。

真空炉主要用于钛、锆、钨、钼、钽、铪、铌等高熔点活泼金属的熔炼，熔炼耐热钢、不锈钢等合金钢。

多功能真空电弧炉是适合实验室使用的非标准设备，可以应用于单辊熔体快淬、真空吸铸制备棒状铸锭、电弧熔炼等。