高熵合金发展近况和展望

本科生毕业设计（论文）

文献综述

题目：高熵合金退火态拉伸性能

姓名：周华

学号：20130800630

学院：材料科学与工程学院

专业：材料科学与工程（金属材料成型加工放向）指导教师：魏然

2017年1月15日

摘要

多主元高熵合金又称为高混乱度合金，其是以多种金属元素皆占有高原子百分比为特点的合金，突破了以1种或2种金属元素为主的传统合金的发展框架，是一种新的合金设计理念。高熵合金具有许多有别于传统合金的组织和性能特点。重点介绍了高熵合金的定义、组织和性能特点及其应用，并介绍了该方向的一些研究进展。

关键词：多主元合金高熵合金组织性能

引言

到目前为止，传统合金的配方仍不脱离以1种金属元素为主的观念，人类依此观念配制不同合金，采用不同的制造加工工艺，进而应用到不同的地方，都是在这个框架下发展及改善的。另外，传统合金的发展经验告诉我们，虽然可以通过添加特定的少量合金元素来改善合金的性能，但合金元素种类的过多会导致很多化合物尤其是脆性金属间化合物的出现，从而导致合金性能的恶化，如变脆，此外，也给材料的组织和成分的控制带来很大困难，因此合金元素的种类越少所能得到的金属内部结构越单纯。但是上世纪90年代初，台湾学者提出了多主元高熵合金的概念，即：就是多种主要元素的合金。在该合金中，其中每种主要元素都具有高的原子百分比，但不超过35%，因此没有一种元素能占有5O％以上，也就是说这种合金是由多种元素集体领导而表现其特色。而且研究表明，多种主元素倾向混乱排列而形成简单的结晶相。因为没有人用过如此多种主元素做出单纯的晶体结构，所以这一发现前所未见。高熵合金拥有许多特性，而极高的硬度、耐温性以及耐蚀性是其显著特点。而高熵合金材料在铸态或是完全回火状态等工艺处理下所表现出的微结构纳米化、非晶态倾向也使得高熵合金在应用性方面有着广阔的前景。目前中国台湾清华大学正联合工研院材料所、成功大学开展高熵合金大型纳米化和非晶化的研究计划。

1. 高熵合金发展及应用现状

高熵合金概念是在1995年由台湾学者提出，在该合金中，其中每种主要元素都具有高的原子百分比，但不超过35%，因此没有一种元素能占有5O％以上，也就是说这种合金是由多种元素集体领导而表现其特色。此合金的设计理念与传

统合金设计理念有巨大的差异，同时在深入研究过程中，高熵合金的高性能与良好的内部组织结构也逐渐使其成为合金的一个新的研究方向，并逐步走向应用化、产业化发展的道路。

纳米析出的现象是高熵合金重要的特色，微结构的纳米化可增进许多力学、电化学及物理性能。所以，在中国台湾国科会的大力支持下，目前中国台湾清华大学正联合工研院材料所、成功大学开展高熵合金大型纳米化和非晶化的研究计划。

而高熵合金所体现出来的，高硬度、耐磨性、耐温性、耐腐蚀性等也使得高熵合金在应用领域有着极其广泛的前景。诸如：：高硬度且耐磨耐温耐蚀的工具、模具、刀具；高尔夫球头打击面、油压气压杆、钢管及辊压筒的硬面；高频变压器、马达的磁心、磁屏蔽、磁头、磁盘、磁光盘、高频软磁薄膜；化学工厂、船舰的耐蚀高强度材料；涡轮叶片、焊接材料、热交换器及高温炉的耐热材料；超高大楼的耐火骨架和微机电材料等。

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)。是一个可合成、分析和控制的合金新世界，可以开发出大量的高技术材料，而且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，对于传统的钢铁产业无疑是“柳暗花明又一村”。就实用性而言，若无法找到功能合适的传统合金，高熵合金或许可以适用。

2. 高熵合金的组织及性能特点

2.1高熵合金的内部组织结构状况

传统合金的发展经验认为，合金元素种类较多时会产生多种金属间化合物，不但难以分析且材质变脆，缺乏应用性。而且经典的Gibbs相率认为，n种元素的合金系统所能产生的平衡相的数目p=n+1，在非平衡凝固时形成的相数p>n+1。然而中国台湾学者对高熵合金的研究却发现并非如此。他们发现多主元高熵合金凝固后不仅不会形成数目众多的金属间化合物，反而会形成简单的体心立方或面心立方相甚至非晶质，有时还会附带另一晶间化合物相，且所得相数p《n+1。他们把其中原因归结为高熵效应。NiAl、TiA1等强金属间化合物的形成熵分别为1．38R和2．06R，与n=5时的混合熵在相同范围。换句话说，如果元素数目较多而导致系统的混合熵比形成金属间化合物的熵变还要大时，高熵效应就会抑制脆性金属问化合物的出现，促进元素间混合形成简单的体心立方或面心立方结构，有时还会附带另一晶间化合物相。

在铸态和完全回火态都会析出纳米相结构甚至非晶质结构是高熵合金的重要特色，而传统的合金或者大块非晶合金只有在特殊的热处理条件状态下才可能析出同样的纳米结构相。微结构的纳米化可增进许多力学、电化学及物理性能。当高熵合金熔化时，所含元素混乱排列成为液体，凝固为固相后，因涉及多元素的扩散及再分配，将阻碍析出物的形核及生长，有利于纳米相的形成。对于快速凝固或真空镀膜而言，高熵合金更能展现非晶化的倾向。目前的研究结果表明，高熵效应抑制脆性金属间化合物的出现，促进元素间混合形成简单的体心立方或面心立方结构甚至非晶质由于相及微结构的可鉴定性及单纯性，故高熵合金如同传统合金一样，是一个可分析、可了解的合金领域。

2.2 高熵合金的性能特点

3. 展望

传统合金体系的发展已趋饱和，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。高熵合金正是在这样的趋势下发展起来的。高熵合金的概念最先由中国台湾清华大学的科学家在2O世纪9O年代中期提出并进行了研究，但直到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。最近剑桥大学的科学家也开始在等摩尔多主元合金方面开展了研究工作。高熵合金的研究还是一块处女地，无论理论研究和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。实际上，现在出现的一些高熵合金体系也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。另外，对它们凝固后的组织形成以及各方面的性能比如力学性能、耐温和耐磨性能、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。高熵合金的研究具有前瞻性，具有学术研究及应用价值。由于应用潜力多元化，面对的产业也多元化，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，对传统冶金和钢铁行业的提升无疑具有重要意义。

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