高熵合金簡(jiǎn)介

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1、高熵合金的特點(diǎn)及其制備技術(shù)摘要：高熵合金是2004年由葉均蔚提出的一種新的合金設(shè)計(jì)方法，在過去的10多年里，被廣泛的研究，取得了相當(dāng)多的研究成果。高熵合金由多種含量相近的主元混合而成，由于主元數(shù)增多，混合熵增加，混產(chǎn)生獨(dú)特的高熵效應(yīng)，并抑制金屬間化合物和其他有序相的生成。高熵合金的強(qiáng)化機(jī)制以固溶強(qiáng)化為主，部分高熵合金還存在第二相彌散強(qiáng)化。高熵合金的制備方法主要是真空電弧熔煉，還有很多新的制備方法有待探究。關(guān)鍵詞：高熵合金高熵效應(yīng)強(qiáng)化機(jī)制制備方法傳統(tǒng)的合金都是基于一種或者兩種金屬為主體，通過添加其他合金元素來獲得所需要的性能。即使是大尺寸非晶材料，其設(shè)計(jì)理念也是以多種元素構(gòu)成基

2、體再添加其他合金元素。在2004年的時(shí)候，葉均蔚提出了一種新的合金設(shè)計(jì)理念——多主元高熵合金，這種合金一般含有五種或五種以上的合金元素，且每種合金元素含量都在5%以上，沒有任何一種元素占[1][2]絕對(duì)多數(shù)。一、高熵效應(yīng)按照傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，合金元素在合金中的固溶量是有限的。隨著合金元素含量的增加，合金中出現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬間化合物及復(fù)雜相，這容易使合金的脆性增加。但是在高熵合金中，盡管添加了如此多的合金元素，其晶體結(jié)構(gòu)依然能夠維持相對(duì)簡(jiǎn)單的FCC或BCC固溶體結(jié)構(gòu)，同時(shí)還具有很多優(yōu)于傳統(tǒng)合金的獨(dú)特性能，而這一切都得益于于高熵效應(yīng)。在高熵合金中，當(dāng)元素?cái)?shù)目較多而導(dǎo)致合金系統(tǒng)根據(jù)玻爾茲

3、曼熵的計(jì)算公式：S=kln?，熵值取決的混合熵高于形成金屬間化合物的熵變時(shí),高熵效應(yīng)于體系的混亂程度。當(dāng)各種元素以等原子比混合時(shí)，就會(huì)抑制金屬間化合物的出現(xiàn)，而促使元素間的混合，其混合熵的計(jì)算公式：ΔS=Rln(n)，其混合熵ΔS值隨最終形成體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）或面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）元素種類數(shù)量的增加而增加。當(dāng)n=2時(shí)，ΔS=0.693R；[1][2]等較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。當(dāng)n=5時(shí)，ΔS=1.61R；當(dāng)n=6時(shí)，ΔS=1.79R。當(dāng)n大于5時(shí)，這一值已經(jīng)和很多金屬間化合物的形成焓與形成溫度的比值（ΔH/Tm）接近。而根據(jù)Gibbis自由時(shí)，由于多種原子形成混亂的固溶體，擴(kuò)散

4、激活能很能公式：ΔG=ΔH-TΔS，是否形成金屬間化合物取決于高，可以嚴(yán)重的阻礙擴(kuò)散過程，因此當(dāng)加熱時(shí)，高熵前一項(xiàng)與后一項(xiàng)的競(jìng)爭(zhēng)，即形成金屬間化合物還是形合金能夠保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。例如成混亂的固溶體哪一個(gè)可以讓?duì)的值更負(fù)。當(dāng)形成AlCrCoFeNiMoTi0.75Si0.25高熵合金在1000℃退火后依金屬間化合物時(shí)，體系變得有序，盡管可以讓其ΔH然保持原來的BCC結(jié)構(gòu)，沒有新相析出（圖2），硬度[9]得到釋放，但是會(huì)讓體系的ΔS減?。欢绻纬苫鞆?53HV稍微降低至408HV。亂的固溶體，原子間保持無序的狀態(tài)，則主要靠較大的ΔS值來使ΔG保持更負(fù)的狀態(tài)。因此當(dāng)主元數(shù)超

5、過5時(shí)，混合熵的影響將變得明顯，合金在一般冷卻條件下依然可以保持無序的狀態(tài)，從而得到一個(gè)具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的額固溶體。當(dāng)然高熵效應(yīng)對(duì)金屬間化合物或者有序相的抑制作用是有限的，當(dāng)元素的混合焓非常負(fù)的時(shí)候（如：NiAl、TiAl以及Si化合物），就會(huì)脫離混合熵的抑制。很多研究中都有出現(xiàn)金屬間化合物等有序相的報(bào)道。如CanHuang等人利用激光熔覆法制備的TiVCrAlSi高[5][6]熵合金圖層中形成了(Ti,V)5Si3；YanPingWang等人證實(shí)在AlCrFeCoNiCu高熵合金中的有序BCC相為NiAl金屬間化合物[7]；張勇等人還探究了高熵合金形[4]成固溶體的條件。O.N

6、.Senkov等人制備的近似等摩爾比W-Nb-Mo-Ta和W-Nb-Mo-Ta-V高熵合金，通過將多種高熔點(diǎn)金屬混合，從而得到了更好的高溫性能。這二、高熵合金的性能特點(diǎn)兩種高熵合金在1600℃下屈服強(qiáng)度都超過400Mpa，[10][11]（1）、強(qiáng)化機(jī)制遠(yuǎn)高于作為比較的兩種超耐熱合金，（圖3）。高熵合金的主要強(qiáng)化機(jī)制為固溶強(qiáng)化。高熵合金一般會(huì)形成簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的固溶體，大量不同種類的原子相互固溶，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的晶格畸變，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效應(yīng)。根據(jù)熱處理?xiàng)l件的不同，高熵合金在冷卻或退火過程中，還可能生成一定量的金屬間結(jié)構(gòu)相，納米相，非晶相等，這些第二相一般尺寸很小，并且彌散分布，

7、可以產(chǎn)生第二相彌散強(qiáng)化作用。（2）、高強(qiáng)度和高硬度大量固溶原子產(chǎn)生晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使得高熵合金具有很高的硬度和強(qiáng)度。例如葉均蔚在2004年制備的AlCrFeCoNiCu高熵合金其硬度就可達(dá)500Hv，[1]同時(shí)抗拉強(qiáng)度高達(dá)1200MPa；而利用激光熔覆法制備的TiVCrAlSi高熵合金涂層其硬度高達(dá)800Hv，同時(shí)[5][6]具有良好的耐蝕性能。（5）、耐腐蝕性：高熵合金含有大量的Cr、Co等元（3）、高耐磨性：高熵合金的一系列強(qiáng)化效應(yīng)使其具素，使其具有很強(qiáng)的耐蝕性能。同時(shí)，高熵合金枝晶有較好的