资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共44页)
编号：36046380
类型：共享资源
大小：1.57MB
格式：ZIP
上传时间：2019-12-31
上传人：遗****
认证信息
个人认证
刘**（实名认证）
湖北
IP属地：湖北
30
积分
- 关 键 词：
-
合金
制造
工艺
性能
应用
研究
太原
- 资源描述：
-
高熵合金的制造工艺、性能及应用研究（太原）,合金,制造,工艺,性能,应用,研究,太原
- 内容简介：
-
毕业论文高熵合金的制造工艺、性能及应用研究125011304高丽杰学生姓名： 学号： 机械工程系系 部： 机械设计制造及其自动化 专 业： 梁红英指导教师： 二一四年 六 月诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日 毕业设计任务书设计题目： 高熵合金的制造工艺、性能及应用研究 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 125011304 学生： 高丽杰 指导教师（含职称）： 梁红英（副教授）专业负责人： 赵跃文 1设计的主要任务及目标1）掌握高熵合金的概念、了解高熵合金和传统合金的区别2）掌握高熵合金的制造工艺。3）掌握高熵合金的性能特点及其应用。通过查阅文献获得高熵合金的具体制造工艺、各种性能指标及应用范围。2设计的基本要求和内容1）查阅10篇以上的科技文献。2）完成毕业设计的各项任务3）完成毕业设计的开题答辩、中期检查。4）按照毕业论文的撰写要求完成毕业论文、参加答辩。3主要参考文献1李建忠，张志多主元高熵合金FeCoNiCuxA1微观组织结构和性能J中国材料科技与设备，2008.62李安敏，张喜艳Al对Al-Cr-Cu-Fe-Ni高熵合金的组织与硬度的影响J热加工工艺，2008，37(4)：26-283高家诚，李锐AlZnSnSbPbMnMg高熵合金显微组织和耐热性的研究重庆大学材料科学与工程学院。4张林，边秀房.铝硅合金的液相转变j.1995，4进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1查阅科技文献，完成开题答辩2014年3月3日2014年3月16日2高熵合金的制造工艺研究2014年3月17日2014年4月20日3高熵合金的性能特点及其应用。2014年4月21日2014年6月1日4整理资料，撰写论文，准备答辩2014年6月2日2014年6月10日高熵合金的制造工艺、性能及应用研究摘要: 中国台湾学者首次制备高熵合金的方法是真空电弧炉熔铸法, 而后应用磁控溅射方法制备多主元高功能合金镀膜。近期印度学者应用机械合金化的方法也成功制备了高熵合金。高熵合金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, 使其应用多姿多彩。作为一种新型的合金材料，高熵合金表现出许多优良的特性，其中极高的硬度、 强度、良好的热稳定性和耐腐蚀性以及良好的塑韧性等是其显著特点。多主元高熵合金表现出与传统合金不同的特性，而且通过不同的元素搭配可获得种类繁多的新型合金。高熵合金不同于传统合金的设计理念为新型合金打开了一扇新的大门，是通向另外一个合金世界的窗口。高熵合金所具有的结构特性和性能特性使其具有广阔的应用前景。关键词：高熵合金，特性，应用 High entropy alloys manufacture process, performance and application researchAbstract:Chinese scholars in Taiwan for the first time the preparation of high entropy alloys is the vacuum arc furnace smelting method, and application of magnetron sputtering method preparation of many principal component function of high alloy coating. The recent Indian scholar application of mechanical alloying method has high entropy alloys was successfully achieved. High entropy alloys can be used in a traditional casting, forging, powder metallurgy, spraying and coating method to make a piece of material, coating, or thin film, make its application more colorful.As a new type of alloy material, high entropy alloys exhibit many excellent characteristics, including high hardness, strength, good thermal stability and corrosion resistance and good plastic toughness is its salient features. Many principal characteristics of high entropy alloys show different from the traditional alloy, and through different element collocation can obtain a wide variety of new type alloy.Different from traditional high entropy alloy design concept for the new type of alloy opens a new door, leads to another alloy window of the world. Structure features and performance characteristics of high entropy alloys have has the broad application prospect.Keywords: High entropy alloys, characteristics, application目 录1前言11.1概述11.2论文研究的目的及意义21.3高熵合金的研究现状42高熵合金相关概念122.1高熵合金的定义122.1.1固溶体混合熵的定义122.1.2高熵合金的界定132.2高熵合金的理论依据143高熵合金的制备、性能及应用163.1高熵合金的制备163.1.1激光熔覆熔炼法163.1.2电弧熔炼法163.1.3高频感应炉加热熔炼173.1.4其他熔炼方法183.2高熵合金的性能183.3多主元效应203.4高熵合金的应用224高熵合金涂层的金相组织观察254.1仪器介绍254.2金相组织观察26结论28参考文献29致谢30II太原工业学院毕业设计1前言1.1概述自古以来,金属材料的发展对人类文明就有着极大的影响,人类由石器时代进入铜器时代再进入铁器时代,几千年来一直是把金银铜铁锡等五金当作饰品、器具、工具、武器的主体材料。工业革命后,尤其是近百年来,人类所开发的合金系统犹如雨后春笋,加工技术更是突飞猛进,不但造就了今天工商发达的局面,而且使人类的生活水平大幅提升。目前人类已开发使用的实用合金系共有30余种,每一合金系统皆以1种金属元素为主(一般都超过50%),随着添加不同合金元素而产生不同的合金。例如以铝为主的铝合金,以铁为主的钢铁材料,以镍为主的超合金,以钛为主的钛合金等。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分析带来很大困难,因此合金元素的种类应越少越好。我们不禁要问,大自然是否只给人类30余种有用的合金系统?合金元素越多性能就越差吗?答案是否定的。八年前有中国台湾学者率先跳出了传统合金的发展框架,提出了新的合金设计理念,即多主元高熵合金。所谓多主元高熵合金,或称多主元高乱度合金,就是多种主要元素的合金(这就是为什么这里用/主元0而不是/组元0的原因),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50%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。这块处女地不但是一个可合成、加工、分析和应用的新合金世界,也是一个具有学术研究及工业发展潜力的丰富宝藏。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。多主元高熵合金是近年来兴起的一种新型合金材料，它的最大特点是突破了传统合金只以一种或两种金属元素为主的设计框架，从而发展出一种全新的合金。多主元高熵合金是以五种或五种以上主要元素按等摩尔比或近等摩尔比经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的材料。主要元素的增多使合金产生高熵效应，晶体结构倾向于形成简单体心或简单面心结构，同时可能伴有晶间化合物生成，甚至在铸态就会析出纳米晶，从而起到固溶强化、沉淀强化和弥散强化效果，使高熵合金的性能比传统合金具有较大优势。髙熵合金在晶体结构及各种性质上和传统合金有极大的差异，主要包括一下几个方面：(1)不但能形成简单的BCC和FCC结构甚至易产生纳米相和无序的非晶相；(2)具有良好的热稳定性；(3)极高的硬度、温室强度和良好的塑性变形能力;(4)优越的耐腐蚀和耐磨性能。一般来说，传统概念的固溶体特性是具有较好的塑性变形能力，但硬度和强度较低，通常只能作为基体相。而基于多主元构成髙熵合金形成的固溶体有着较高的强度和硬度，甚至高于非晶合金的强度，同时还具有良好的热稳定性和耐磨耐蚀特性，为新型结构材料的设计提供了丰富的空间。1.2论文研究的目的及意义目前国内外学者对高熵合金的研究，主要集中在制备方法的研究，并且针对具体合金系，研究元素含量对合金组织、性能的影响。研究对象主要是在Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn等元素中选配的5 8元合金 ；所研究的性能主要是常规力学性能，如硬度、抗压强度、耐磨性、耐蚀性等，其它性能研究相对较少，数据不多。微观机理方面的研究尚未真正展开，仅清华大学和北京科技大学的学者做了少量探索。从研究成果来看，目前还是台湾清华大学的研究处于领先地位，已有多项发明专利。高熵合金的应用潜力巨大，应用领域广泛。但是，高熵合金的各项相关数据基本还处于试验室阶段，尚未真正进入应用领域，还未能实现产业化。这一方面是因为该领域的相关研究刚刚起步，很多人对此类合金还不了解 ；另一方面是有关此类合金的数据非常少，数据重复性不够高。目前文献所报道的用于实验研究的高熵合金，无论采用哪种方法制备，试样都很小，一般只有几十克。因此，排除仪器误差之外，配制合金时称量原材料的微小误差、制备过程中的少量原材料损耗、所用原材料的纯度不同，都可能导致实际所得合金成分偏离设计成分较远。高熵合金的组织、性能特点是由其高混合熵所决定的，等摩尔比合金的混合熵高于非等摩尔比合金的混合熵，且合金的组织与性能可能对某些元素较为敏感。因此，要使高熵合金的实验数据真正应用到实际生产领域，还需提高配样精度，提高数据的重复再现性。对于实验数据显示性能优异、经济性良好的高熵合金，可以熔制大块试样，再检测相应的性能，获得真正可以用到实际生产的参考数据。国内仅有的几个已获批准的高熵合金相关的专利，是制备方法方面的，所获得的高熵合金同样存在试样较小的问题。材料是人类文明进步的物质基础，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。人类由石器时代直接进入钢铁时代，一直把金银铜铁锡等金属当作生产工具、生活用品、武器的主要原料。工业革命以后，特别是近百年来，人类开发的合金系统犹如雨后春笋，加工工艺更是突飞猛进。这一切造就了当今制造业空前繁荣的局面，也极大的提高了人类的生活水平。目前人类已经开发并实用化的合金系有30余种，每一种合金系都是以某一种元素为主体（含量超过50%），如以铝为主的铝合金、以铁为主的钢等等。传统合金的开发与研究始终被局限在以一元为主的思路内，上百年来的发展已经让新合金系的探索工作到了“山穷水尽”的地步。而且，合金中所含的添加元素过多，会导致合金内析出大量复杂的金属间化合物，尤其是脆性化合物，严重的降低了合金的力学性能，对合金成分的分析和性能的控制也带来了极大的困难。高熵合金正是在这样的趋势下应运而生的。2004年中期台湾研究学者提出了新的合金设计理念，即多主元高熵合金：一种具有5种以上主元且每种主元原子分数不超过35的合金。目前的研究结果表明，多主元高熵合金凝固后不仅不会形成数目众多的金属化合物，反而形成简单的体心立方或面心立方相甚至非晶质，所得相数远远低于平衡相率所预测的相数。由于高熵合金拥有很多传统合金所不具有的优异特性，比如通过适当的合金配方设计，可获得高硬度、高加工硬化、耐高温软化、耐高温氧化、耐腐蚀、高电阻率等特性组合，如：高硬度且耐磨耐温耐蚀的工具、模具；化学工厂、船舰的耐蚀高强度材料；涡轮叶片、热交换器及高温炉的耐热材料等。因此多主元高熵合金是一个可合成、加工、分析和应用的新合金世界，多主元高熵合金不仅在理论研究方面有重大价值，在工业生产方面同样具有很大的应用潜力。高熵合金的性能比传统合金具有较大优越性，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，但其微观组织和性能机理有待研究。开展这方面的工作，对于开发新型高熵合金材料，促进高熵合金在工业上的应用，具有十分重要的经济价值和社会价值。1.3高熵合金的研究现状随着高熵合金概念提出之后，人们对高熵合金的研究方面也越来越多，叶筠蔚和其研究小组对 Al0.3FeCoNiCrCu0.5和 AlNiCoFeCuCr 等高熵合金体系进行了深入研究。在 AlNiCoFeCuCr 合金体系中，对 AlNiCoFeCuCr 每种组元元素对合金性能的影响进行了研究。通过改变合金组元元素的含量，进行合金的组织结构及性能研究。表 1.1 列出了高熵合金随着组元元素含量变化组织所含相、晶格参数和硬度的变化。通过研究得出 AlFeCoNiCrCu 合金体系每种元素的摩尔比从 0.5 变化到 1.0时都呈现出简单的面心立方(FCC)和体心立方(BCC)固溶体相。在高熵合金体系中 Co 元素、Cu 元素、和 Ni 元素可以增强面心立方(FCC)相的形成，而 Al 元素和 Cr 元素能够增强体心立方(BCC)相的形成，它们的成相趋势和钢中类似。在合金体系中当合金进行冷却时 BCC 相倾向于形成调幅分解结构；此时 Cu 元素倾向于在枝晶间偏析，Cu 元素含量低，减少了枝晶间体积分数并且使铸态组织结构出现再结晶的晶体结构。而体心立方(BCC)相的形成导致了合金硬度的显著增加，合金的强化主要是基于合金的基本结构和固溶强化机制。通过对 Al0.3FeCoNiCrCu0.5合金组织性能研究得出，在合金中能够观察到二种类型的析出物，即板状析出物和球状析出物，板状析出物比较规则。在板状析出物中发现了二种相：一种为 Cu 比较多的面心立方(FCC)相和另一种 L12超晶格结构的(Ni,Cu)3Al 相；尽管球状析出物的准确成分没有确定，但是它也是具有 L12超晶格结构并且富含 Al 元素、Ni 元素和 Cu 元素的，这就意味着在冷却的过程中，Cu-Ni-Al 相是第一析出的。另外，张勇等人对 AlFeCoNiCrNbx和 NbTiVTaAlx等高熵合金进行了一系列的研究。 在 AlFeCoNiCrNbx高熵合金系列中，主要研究了 Nb 元素的添加对合金力学性能和磁性能的影响。Nb 元素的添加改变了合金原始的相组成，使得合金生成了除固溶体相外的有序拉弗斯相。同时合金的显微结构也由亚共晶变成过共晶，然而在 Nb 元素含量不同时，二者共同作用影响了合金性能，主要体现在合金的屈服强度，硬度和矫顽力的增加而合金的塑性、饱和磁化强度和剩余磁化强度下降。而在 NbTiVTaAlx合金中，随着 Al 元素添加，并没有出现结构比较复杂的金属间化合物，而只是出现单一的体心立方结构(BCC)固溶体。说明 Al元素对合金的相组成影响很小，这可能归结于高熵合金的高熵效应。在合金的显微结构中合金的组织为典型的铸态枝晶结构，在对合金进行室温压缩试验研究时发现合金具有较高的屈服强度和良好的塑性变形，合金在 50%的压缩应变后还没断裂，这可能归结于合金的固溶强化机制。他们对合金性能进行进一步研究时发现，合金的相形成规律主要基于参数 和 (原子尺寸不同)和价电子溶度(VEC)的影响。吉林大学等人对 AlxFeCoNiCr、FeMnNiCuCoSnx、FeCoCuNiSnx等高熵合金系列进行研究。 在 AlxFeCoNiCr 合金体系中，随着 Al 元素的添加，也没有出现结构比较复杂的金属间化合物，合金只呈现出单一的体心立方(BCC)结构，但是合金的晶格常数和维氏硬度随着 Al 元素含量的增加而增加，这主要是因为 Al元素和其他元素的结合力在合金中是最强的，此外 Al 元素的原子尺寸在此合金的合金元素中最大，产生的晶格畸变使得合金的硬度增加，合金最高的硬度可达740HV。而在 FeMnNiCuCoSnx合金中，主要是研究 Sn 元素对合金体系组织与性能的影响。首先，FeMnNiCuCoSnx合金在室温下展现出良好的塑性和抗拉强度，这主要是决定于 Sn 元素原子百分比的作用。合金体系在 Sn 元素小于 0.05 时为单一的面心立方(FCC)结构，而Sn元素高于0.05时出现了 Cu5.6Sn 金属间化合物。通过研究表明，在合金体系中合理的 Sn 元素是有利于铸态合金塑性提高的，Sn元素在 0.03 和 0.05 之间合金具有良好的塑性和抗拉强度，并在 0.03 时最合理，合金的应变和抗拉强度分别为 16.9%和 476.9MPa，Mn 元素溶解于 FCC 固溶体中而没出现含 Mn 的金属间化合物。此外，还研究了 FeCoCuNiSnx合金体系，同样在 Sn 元素含量少于 0.05 时，合金只表现出单一的面心立方(FCC)结构，而 Sn含量高于 0.05 时，出现了 Cu81Sn22金属间化合物。在合金的组织中，树枝晶区域是富含 Fe 元素和 Co 元素，而树枝晶间区域是富含 Cu 元素和 Sn 元素的。Ni元素在树枝晶和枝晶间的分布是比较均匀的，在 Sn 元素含量在 0.05 和 0.07 时合金体系具有最高的强度和塑性，最大延伸率和抗拉强度分别可达到 19.8%和633MPa，比 FeMnNiCuCoSnx合金体系更好。此外，还研究了一些合金元素对一些高熵合金系列的组织性能的影响，主要是研究往 FeNiCrCu 中加入 Co 元素、Al 元素、Mo 元素、Mn 元素和 Zr 元素后合金组织性能变化。通过对合金系列进行了深入的组织性能研究，得出FeNiCrCuCo 和 FeNiCrCuMo 合金为单一的面心立方(FCC)结构，当 Co 元素和Cu 元素被 Al 元素取代之后，体心立方(BCC)或体心立方(BCC)和面心立方结构(FCC)混合相开始出现；Cu 元素或者 Al 元素能够促进或者恶化面心立方(FCC)的形成，当合金中加入 Zr 元素之后有复杂的化合物出现，主要是因为 Zr 元素与其它元素形成了较强的化合物；有体心立方(BCC)的合金硬度一般高于面心立方(FCC)的合金硬度。当复杂的化合物形成的时候，合金的硬度和脆性进一步增加，主要是因为第二相析出的强化机制。表 1.2 列出了高熵合金的结构和硬度。，合金的强化主要是基于合金的基本结构和固溶强化机制。 通过对 Al0.3FeCoNiCrCu0.5合金组织性能研究得出，在合金中能够观察到二种类型的析出物，即板状析出物和球状析出物，板状析出物比较规则。在板状析出物中发现了二种相：一种为 Cu 比较多的面心立方(FCC)相和另一种 L12超晶格结构的(Ni,Cu)3Al 相；尽管球状析出物的准确成分没有确定，但是它也是具有 L12超晶格结构并且富含 Al 元素、Ni 元素和 Cu 元素的，这就意味着在冷却的过程中，Cu-Ni-Al 相是第一析出的。 另外，张勇等人对 AlFeCoNiCrNbx和 NbTiVTaAlx等高熵合金进行了一系列的研究。在 AlFeCoNiCrNbx高熵合金系列中，主要研究了 Nb 元素的添加对合金力学性能和磁性能的影响。Nb 元素的添加改变了合金原始的相组成，使得合金生成了除固溶体相外的有序拉弗斯相。同时合金的显微结构也由亚共晶变成过共晶，然而在 Nb 元素含量不同时，二者共同作用影响了合金性能，主要体现在合金的屈服强度，硬度和矫顽力的增加而合金的塑性、饱和磁化强度和剩余磁化强度下降。而在 NbTiVTaAlx合金中，随着 Al 元素添加，并没有出现结构比较复杂的金属间化合物，而只是出现单一的体心立方结构(BCC)固溶体。说明 Al元素对合金的相组成影响很小，这可能归结于高熵合金的高熵效应。在合金的显微结构中合金的组织为典型的铸态枝晶结构，在对合金进行室温压缩试验研究时发现合金具有较高的屈服强度和良好的塑性变形，合金在 50%的压缩应变后还没断裂，这可能归结于合金的固溶强化机制。他们对合金性能进行进一步研究时发现，合金的相形成规律主要基于参数 和 (原子尺寸不同)和价电子溶度(VEC)的影响。 吉林大学等人对 AlxFeCoNiCr、FeMnNiCuCoSnx、FeCoCuNiSnx等高熵合金系列进行研究。在 AlxFeCoNiCr 合金体系中，随着 Al 元素的添加，也没有出现结构比较复杂的金属间化合物，合金只呈现出单一的体心立方(BCC)结构，但是合金的晶格常数和维氏硬度随着 Al 元素含量的增加而增加，这主要是因为 Al元素和其他元素的结合力在合金中是最强的，此外 Al 元素的原子尺寸在此合金的合金元素中最大，产生的晶格畸变使得合金的硬度增加，合金最高的硬度可达740HV。而在 FeMnNiCuCoSnx合金中，主要是研究 Sn 元素对合金体系组织与性能的影响。 这主要是决定于 Sn 元素原子百分比的作用。合金体系在 Sn 元素小于 0.05 时为单一的面心立方(FCC)结构，而Sn元素高于0.05时出现了 Cu5.6Sn 金属间化合物。通过研究表明，在合金体系中合理的 Sn 元素是有利于铸态合金塑性提高的，Sn元素在 0.03 和 0.05 之间合金具有良好的塑性和抗拉强度，并在 0.03 时最合理，合金的应变和抗拉强度分别为 16.9%和 476.9MPa，Mn 元素溶解于 FCC 固溶体中而没出现含 Mn 的金属间化合物。此外，还研究了 FeCoCuNiSnx合金体系，同样在 Sn 元素含量少于 0.05 时，合金只表现出单一的面心立方(FCC)结构，而 Sn含量高于 0.05 时，出现了 Cu81Sn22金属间化合物。 在合金的组织中，树枝晶区域是富含 Fe 元素和 Co 元素，而树枝晶间区域是富含 Cu 元素和 Sn 元素的。Ni元素在树枝晶和枝晶间的分布是比较均匀的，在 Sn 元素含量在 0.05 和 0.07 时合金体系具有最高的强度和塑性，最大延伸率和抗拉强度分别可达到 19.8%和633MPa，比 FeMnNiCuCoSnx合金体系更好。此外，还研究了一些合金元素对一些高熵合金系列的组织性能的影响，主要是研究往 FeNiCrCu 中加入 Co 元素、Al 元素、Mo 元素、Mn 元素和 Zr 元素后合金组织性能变化。通过对合金系列进行了深入的组织性能研究，得出FeNiCrCuCo 和 FeNiCrCuMo 合金为单一的面心立方(FCC)结构，当 Co 元素和Cu 元素被 Al 元素取代之后，体心立方(BCC)或体心立方(BCC)和面心立方结构(FCC)混合相开始出现；Cu 元素或者 Al 元素能够促进或者恶化面心立方(FCC)的形成，当合金中加入 Zr 元素之后有复杂的化合物出现，主要是因为 Zr 元素与其它元素形成了较强的化合物；有体心立方(BCC)的合金硬度一般高于面心立方(FCC)的合金硬度。当复杂的化合物形成的时候，合金的硬度和脆性进一步增加，主要是因为第二相析出的强化机制。 由于高熵合金具有较高的硬度、良好的热稳定性、良好的耐磨性、抗氧化性以及耐腐蚀性能。然而目前科研研究的高熵合金制备的方法主要是铸造的方法，而铸造产品具有性能上的缺陷(由于热膨胀和收缩造成的空隙、孔隙等)，并且过程相对比较复杂，高熵合金的组织和性能很难得到控制。而激光熔覆具有以下几个优点：具有高的能量密度、加热速度快、对基体的热影响较小；可以通过控制激光输入功率限制稀释度从而保持原始熔覆材料的优异性能；在涂层和基体之间可以得到完全致密的冶金结合层；由于加热和冷却过程速度比较快，激光熔覆层比较均匀和致密，并且微观缺陷比较少。 所以很多研究人员开始利用激光熔覆的方法制备高熵合金，比如：AlxFeCoNiCrCu 激光熔覆层、6AlFeCoNiCrTiSi 激 光 熔 覆 层 ， Al2CrFeCoCuTiNix激光熔覆层。在AlxFeCoNiCrCu 高熵合金激光熔覆层中可以得到具有纳米结构的固溶体，可获得面心立方(FCC)结构和体心立方结构(BCC)，在 Al 含量为 1.3 时出现了长的魏氏析出物，而 Al 元素含量增加到 1.8 时，长的魏氏析出物变成了球形形状的析出物；此高熵合金具有较好的高温显微硬度，而 Al 元素增加时，AlxFeCoNiCrCu高熵合金激光熔覆层的高温显微硬度也有显著的提高，并且存在着 2 个硬化的温度区间，分别为 400-550和 550-700；根据 Al2.0FeCoNiCrCu 高熵合金在磨损损失和划痕深度上来看比 Al1.5FeCoNiCrCu 高熵合金更具有耐磨性，并且Al2.0FeCoNiCrCu 高熵合金也具有更稳定的摩擦系数；此外在 0.05mol/L HCl 溶液中，Al 元素含量在合金的耐腐蚀性方面也有比较显著的影响。而在6AlFeCoNiCrTiSi 高熵合金激光熔覆层中只获得了单一的体心立方(BCC)固溶体相，并没有出现比较复杂的金属间化合物，而涂层的显微组织是由等轴的多边形晶粒、不连续的枝晶间区域和纳米级的析出物组成；主要是由于激光熔覆的快速冷却，从而大大的降低了 6AlFeCoNiCrTiSi 高熵合金的成分偏析并且通过细晶强化、固溶强化和纳米结构析出物强化增加了涂层的显微硬度；6AlFeCoNiCrTiSi高熵合金激光熔覆层含有大量的小角度晶界存在的多边形晶粒和不连续的枝晶间区域的界面，这主要是由于 6AlFeCoNiCrTiSi 高熵合金激光熔覆层特殊的晶体结构和原子的扩散速率迟缓；并且 6AlFeCoNiCrTiSi 高熵合金激光熔覆层具有较好的软磁行为。 此外，在 Al2CrFeCoCuTiNix高熵合金激光熔覆层中由于高熵效应的存在，高熵合金涂层的相结构组成比较简单，为面心立方结构(FCC)和体心立方结构(BCC)的混合相，熔覆区域主要由轴晶、纳米析出物和小的白色晶体组成；而 Al2CrFeCoCuTiNix高熵合金激光熔覆层的表面显微硬度值高达 1102HV是基体 Q235 钢的 4 倍，并且合金的硬度随着 Ni 元素含量的增加而增加；此高熵合金熔覆层在 1mol/L NaOH 溶液和 3.5%的 NaCl 溶液中具有良好的耐腐蚀性能，然而随着 Ni 元素含量的增加，耐腐蚀性能先增加然后下降，在磨损性能方面也是随着 Ni 元素含量的增加先提高后降低。目前也有关于高熵合金其他性能的研究，如储氢方面的应用，主要研究比较新颖的 CoFeMnTiVZr 合金系统的吸氢和放氢。通过压力-组成-等温论证，CoFeMnTixVZr, CoFeMnTiVyZr, 和 CoFeMnTiVZrz可以在 x、y 和 z 在 0.5x2.5，0.4y3.0 和 0.4z 3.0 时吸氢和放氢，通过 X 射线衍射显示 CoFeMnTixVyZrz合金系统在 PCI 测试前后都具有简单的 C14 拉弗斯相，而 C14 拉弗斯相具有简单的晶格参数；而 x，y 和 z 在储氢能力上的影响是以晶格参数、元素偏析、合金元素与氢形成氢化物的形成焓和平均生成焓来阐明的；而最大储氢能力主要是由合金元素和氢形成的氢化物的形成焓决定的。随着对高熵合金的进一步研究，由于高熵合金具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐热性以及抗高温氧化等性能，使得高熵合金在镀膜领域也有了一席之地，越来越多的学者开始研究高熵合金薄膜。 众所周知非晶态涂层，特别是氮化物，有着众多的实际应用。然而目前只有少数的非晶氮化物涂层系统被认为是最显著的，如(TM,Si)N 系统(过渡族金属11是 TixFeCoNiOy薄膜有很低的电阻率，它们在室温下的电阻率和大多数金属合金的电阻率相近，比单晶 RuO2的要低也比 ITO 要低的多。这种效应有可能是因为氧空位的存在，而合金氧化膜的电阻率主要由成分和氧含量来决定。Huang 等研究者对 AlFeCoNiCrCu0.5高熵合金氧化膜进行了深入的研究，通过对氧化膜的组织、硬度、电阻率和热稳定性等方面来讨论高熵合金氧化膜的组织与性能。研究发现，AlFeCoNiCrCu0.5靶材是体心立方结构(BCC)，而没有加氧气时候的AlFeCoNiCrCu0.5合金薄膜是非晶态的，当氧气含量CO在10%和 50%之间时，溅射的氧化薄膜是 HCP 结构的，此 HCP 相的晶格参数 a=0.3583nm 和c=0.4950nm；当氧气含量 CO在 30%和 50%之间时，XRD 峰值开始变低和宽，意味着晶粒尺寸变得更小；然而溅射的氧化膜在不同温度下退火后，氧化薄膜还是 HCP 结构，在退火过程中没有发生明显的相变，说明溅射的氧化膜具有良好的热稳定性，这类似于高熵合金玻尔斯曼定律中熵与系统复杂性之间的关系。 在扫描电镜观察时发现氧化膜是由纳米颗粒组成的而且颗粒尺寸随退火温度的增加而增加，并且薄膜的表面粗糙度也随退火温度的增加而增加；通过研究发现氧浓度和晶粒尺寸共同决定着薄膜硬度的变化，然而在高温退火处理时，晶粒的尺寸大小相近，但是氧浓度降低了，所以退火处理之后氧化膜的硬度下降了；进行薄膜电阻率测试时发现，氧化膜的电阻率大于 AlFeCoNiCrCu0.5合金薄膜的电阻率，这可能是因为尽管合金薄膜是非晶态的，但是合金薄膜属于金属，而氧化薄膜类似于氧化物类型的半导体，随着氧含量的增加，氧在氧化物中过剩而金属空位增加，而氧化膜的电导率由金属空位决定；进行退火处理之后发现氧化膜的电阻率也随着退火温度的增加而增加。郑州大学的研究者通过直流反应溅射制备了(AlCrMnMoNiZrB0.1)Nx薄膜并对其组织结构和性能进行了研究。通过对 N2含量的不同进行比较系统的讨论，发现 N2含量为 0 和 0.2 的时候薄膜为非晶态结构，然而 N2含量为其它的时候呈现为单一的面心立方(FCC)结构，这种情况主要是因为较高的混合熵效应、缓慢的长距离扩散、原子尺寸之间较大的不同。薄膜在较低 N2含量沉积时呈现的是菜花状形貌，并且柱状簇含有一些缺陷；但是随着 N2含量的增加许多柱状簇和缺陷减少，导致了薄膜更加致密和较低的表面粗糙度。得到的金属薄膜硬度和杨氏模量分别为 7.1GPa 和 163GPa，但是随着 N2含量的增加，硬度和杨氏模量分Ti 元素、Zr 元素、W 元素、Mo 元素) 。台湾学者叶均蔚及其研究者们对AlBCrSiTi 氮化膜、AlFeCoNiCrCuMn 和 Al0.5FeCoNiCrCu 的氮化膜等进行了系统的研究。 在研究 AlBCrSiTi 氮化薄膜时，通过在不同的衬底温度下改变氩气/氮气气氛，得到了相应的(AlBCrSiTi)N 薄膜，而在掠射角 X 射线衍射和透射电子显微镜观察表明，不管氮气含量和沉积温度(高达 500 )的变化，薄膜都是非晶态的。对(AlBCrSiTi)N 薄膜进行热处理之后发现，在真空中退火 2 小时后温度达到 700时薄膜还可以保持非晶态，然而退火温度为 800或者高于 800时，非晶薄膜变成了简单 NaCl 型的面心立方固溶体。甚至在进行 1000退火 2小时之后晶粒的尺寸只有 2nm，这是由于高熵效应，较大的晶格畸变作用和扩散迟缓等共同作用形成了非晶氮化膜。然而在研究 AlFeCoNiCrCuMn 和Al0.5FeCoNiCrCu 的时候，运用直流磁控溅射的方法成功地制备了合金的金属薄膜和氮化膜，在反应溅射中的磁滞回线和大多数二元氮化物不同，金属薄膜和它们原始的靶材成分相同，并且晶体结构是面心立方(FCC)和体心立方(BCC)混合的结构或者是单一的面心立方(FCC)固溶体；合金氮化膜的结晶性随着氮气气流的增加而降低，并且越接近纳米结构和非晶态，这可能是由于氮气的加入，不同相的许多氮化物的形成增加了高熵合金氮化膜复杂性和非晶态结构的形成；氮化膜氮的含量随着氮气流量的增加而增加，并且 Al0.5FeCoNiCrCu 靶材的氮化膜得到了 41.1at%的氮含量，合金薄膜的表面粗糙度为 9 到 13nm 而氮化膜的表面粗糙度只有 1 到 3nm，说明合金薄膜加入氮气之后变得平滑。 然而在研究时候发现，基体的偏压对薄膜的生长速率、电阻率和硬度影响并不是很大，这种情况和二元过渡族金属氮化物反应溅射不同，因为二元过渡族金属氮化物的基体偏压对薄膜的结构和性能有显著的影响，在大多数情况下所施加的离子轰击可以消除薄膜日益增长的缺陷并且使它更致密，所以薄膜的生长率和电阻率下降，但是膜的硬度增加，这可能是因为高熵氮化物的非晶结构造成的；然而他们得到的合金薄膜的硬度值为 4GPa，而氮化膜的硬度值约为 11GPa。众所周知半导体的电阻率通常比金属要高，但是有二种半导体氧化物在室温下呈现出金属的电阻率，一种是 RuO2，另一种是 ITO，然而台湾学者 Tsau 等人利用物理气相沉积制备了高熵合金氧化膜，并且对它们的电阻率进行了系统的研究。结果发现他们研究的高熵合金氧化膜在室温下也具有较低的电阻率，特别由于高熵合金具有较高的硬度、良好的热稳定性、良好的耐磨性、抗氧化性以及耐腐蚀性能。然而目前科研研究的高熵合金制备的方法主要是铸造的方法，而铸造产品具有性能上的缺陷(由于热膨胀和收缩造成的空隙、孔隙等)，并且过程相对比较复杂，高熵合金的组织和性能很难得到控制。2高熵合金相关概念2.1高熵合金的定义高熵合金, 也称多主元高熵合金, 即该种合金是由多种主要元素组成, 其元素种类一般在五种或五种以上, 每种主元素的原子百分比含量都应在35 % 以下。传统合金一般都含有一种原子百分比大于50 % 的主要元素, 而高熵合金中所有主要元素的原子百分比含量基本相当, 它们共同发挥作用。2.1.1固溶体混合熵的定义在热力学上，熵是代表一个物质系统的混乱度的参数，如果混乱度越大，熵就越大。一个物质系统中的原子振动组态、电子组态、磁矩组态、原子排列组态等都会影响系统的熵值，其中原子排列组态的影响最大，如果忽略其它组态对熵值的影响，则系统的熵以原子排列的混合熵为主。混合熵也称组态熵，组态熵随着合金中组元的组合方式的不同而不同，其反映合金中组元的组合方式，例如二元固溶体、空位固溶体与有序固溶体等组元组合方式不同，其组态熵也不同。熵(S)是热力学几率，组态熵 S=KlnW。计算热力学几率，实际上是一个计算组合的问题，下面以二元置换固溶体为例进行计算。设固溶体晶格中一共有N个结点，被A和B两类原子完全占据，一个结点上只能容纳一个原子，这两类原子的数目分别是NA和NB，现在计算这两类原子填充到结点上的组态数目。NA个结点被A类原子充填后，余下的NB个结点由B原子占据，此时只有一种组合，所以求两类原子的填充组合实际上是求NA个原子占据N个结点的组合数，即 （1.1）一般N很大，例如1摩尔原子的晶体中，N就是阿夫加德罗常数6.02251023，所以计算阶乘时可以采用斯特林(Stirling)近似公式，即lnN!=NInN-N （1.2） 故组态熵为 （1.3）如果用摩尔分数表示成分，则上式为 （1.4）式中，Nk=R=8314Jmol-1K-1，即气体常数；cB摩尔分数，cB=NB/N。cB与（1-cB）都是小于1的正数，故它们的对数都是负的，所以组态熵Sm为正值。进一步推广，当固溶体由几种原子组成时，其组念熵Sm(或混合熵Smix)为Smix=-R(c1lnc1+c2lnc2+cnlncn) （1.5）当c1=c2=cn，会得到很高的混合熵。2.1.2高熵合金的界定如果合金的组元都是等摩尔比例，则根据式(1.5)，合金的混合熵随着合金主元的个数的变化而变化的趋势如图2.1，可见，随着合金元素个数的增加，合金的混合熵增加。台湾学者发现当合金的主元个数n5时，合金生成固溶体，不易出现金属间化合物，认为合金的混合熵起着很大的作用，所以用混合熵来划分合金世界。根据式(1.5)，若合金组元都是等摩尔比，则每摩尔的合金的混合熵S=Rlnn，n为主元个数，所以二、五主元合金的混合熵分别是：0.693R、1.61R，只有一个主元的合金的混合熵应该小于0693R，而五主元以上的合金的混合熵大于161R。以0.693R和1.61R为界线，可以把全部合金分为三大类，即低熵合金、中熵合金与高熵合金，以1个元素为主的合金为低熵合金，24个元素为主的合金为中熵合金，5个主元以上(包含5个)的合金为高熵合金，见图2.2。图2.1合金的混合熵随合金主元个数的变化而变化趋势图 图2.2以熵划分的合金示意图2.2高熵合金的理论依据 叶均蔚等研究者定义多主元高熵合金一般由五种或者五种以上主元素组成，每种元素按等原子比或者接近等摩尔比组成，为了拓宽合金设计的范围，高熵合金的每种主元的含量在 5%-35%之间。在高熵合金中，合金的混合熵高于合金的熔化熵，所以一般情况下形成的是高熵固溶体。众所周知，熵是表示体系混乱程度的物理量，它的大小能够影响体系的热力学稳定性。根据熵和系统复杂性关系的玻尔斯曼(Boltzmann)假设可以知道，n种元素以等摩尔比形成固溶体时，形成的摩尔熵变 Sconf可以通过以下的公式表示：Sconf=-klnw =-R(1/nln1/n+1/nln1/n+1/nln1/n)=R(1/nlnn+1/nlnn+1/nlnn)=Rlnn在此其中 k 代表玻尔兹曼常数，w 代表混乱度，R 为摩尔气体常数：R =8.3144 J/(mol.K)。通过以上公式得： 当n=2 时， Sconf=0.693Rn=3 时， Sconf=1.097Rn=4 时， Sconf=1.386Rn=5 时， Sconf=1.609Rn=6 时， Sconf=1.790R从关系式中可以看出，等摩尔比合金的摩尔熵(Sconf)随着合金组元数(n)的增加而增加。图 2.3 为等原子比合金混合熵与组元数的关系曲线。 图2.3 等原子比合金混合熵与组元数的关系曲线由图可知，合金的混合熵 Sconf随着组元数 n 的增大也随之增大。依据Richard 定律可知，大多数金属的熔化熵在熔点时接近于摩尔气体常数 R。而三元等摩尔比合金的混合熵 Sconf就有 1.097R，大于 R，更不用说五元或者更多主元。事实上，若考虑其他因素，如振动，电子和磁矩随机性，等摩尔比合金的混合熵甚至高于计算所得值。根据热力学知识，吉布斯自由能变 G 和焓变 H、绝对温度 T 及熵变 S 之间的关系为：G =HTS对于一个体系而言，吉布斯自由能变 G 越小体系越稳定，因此在多主元高熵合金系统中，合金的组元数越多，对应的混合熵也就越大，吉布斯自由能变 G也就越小，则系统越稳定。也就是说当高熵合金组元数足够多时，混合熵很大，高熵效应就会抑制金属间化合物的形成，促进简单固溶体的形成。3高熵合金的制备、性能及应用3.1高熵合金的制备3.1.1激光熔覆熔炼法激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节约贵重稀有金属材料，因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视.激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类：粉末预置法和同步送粉法。激光熔覆设备为HUST-5000横流CO2激光器，配套机床为JKR5170多功能数控设备，激光波长=10.6m，基体材料为高速钢W18Cr4V。熔覆涂层材料采用纯度高于99%的合金粉末混合而成。将混合粉末置于激光熔覆设备的同步送粉装置内，然后启动设备，预热一会后，在激光束的作用下，将同步送粉装置送出的粉料熔化后均匀涂覆在基体表面，厚度约为1mm，熔覆过程用氩气为保护气体，纯度为99.9%。3.1.2电弧熔炼法真空电弧炉如图3.1所示，由炉体、电源、真空系统、电控系统、光学系统和水冷系统组成。炉体部分由炉壳、电极、结晶器及电极升降装置构成。工作时，在电极(负极)和水冷铜结晶器(正极)形成的两极之间，建立低电压(2040V)大电流(若干kA)，产生电弧放电，靠电弧释放出的热量来熔化金属。电炉一般是直流供电，一根电极。按照熔炼过程中电极是否消耗(熔化)，分成非自耗电极电弧炉熔炼和自耗电极电弧炉熔炼两种。非自耗电弧炉，电极用钨等高熔点材料制成，电弧熔炼时电极本身并不熔化，是永久性的。自耗电极电弧炉的电极采用被熔炼材料制成，如熔炼钛时电极通常用海绵钛压制而成，在熔炼过程中电极本身被熔化。电极升降装置随着电极的不断消耗使电极稳定下降，以保持两极的距离和电弧的稳定。真空自耗电弧炉熔炼一般是在1.31.310-1Pa的炉内压力下进行。电弧温度可高达5000K。电极熔化的液滴通过弧区时，便会产生强烈的挥发、分解、化合等脱气、去除杂质的净化作用，然后滴入水冷铜结晶器中凝固成铸锭。真空电弧熔炼不使用耐火材料，熔炼高熔点难熔金属钨、钼、钽、铌和活性很高的钛和锆时可不受耐火材料的污染。炉料边熔化边凝固可消除缩孔、中心疏松和偏析等常见铸锭缺陷，使加工性能优良。图3.1真空电弧炉3.1.3高频感应炉加热熔炼 熔炼中要加入适量的净化剂，用于净化除去金属液中氧化渣并对金属液起保护作用，防止金属在熔炼过程中过多的氧化。在浇注前应将金属液静止一段时间，以利杂质的浮起和金属液成分的均匀，最后将净化剂捞出，以防止在金属液浇注过程中氧化渣难以浮起，凝固于合金中，影响金属合金的性能。为了减少熔炼工程的金属元素的氧化量，各种成分元素的添加应具有一定的顺序，例如容易烧损金属铝，应待其他金属熔化后再加入到熔炼坩埚中。3.1.4其他熔炼方法此外高熵合金还可以用机械合金化法和真空熔体快淬法等。机械合金化(MA)是一种非平衡态粉末固态合金化方法，其特点突出表现在材料制备过程中的非平衡性和强制性; 高熵合金薄带的制备方法主要是真空熔体快淬法,其基本的工作原理是：将预先熔炼得到的铸锭装入石英管进行二次熔化，这个过程在封闭的保护气氛或真空下进行，然后将融化的过热液态合金喷射到按照设定转速旋转的水冷铜模上，合金被快速冷却而形成薄带。这种方法具有极高的冷速，可以使多种金属及合金形成非晶态结构，所制备的非晶薄带具有特殊的力学及物理性能。因为高熵合金的熔炼方法比较多，所以在具体的生产和科研中，工作人员应该根据其所研究的高熵合金的不同，结合实际的设备和条件，选择最经济最合理的熔炼方法。3.2高熵合金的性能鉴于高熵合金拥有特殊的理论依据和设计理念，因此高熵合金与传统合金相比也拥有与众不同的特点，下面进行总结：(1)高熵合金倾向于形成简单相结构的BCC或FCC固溶体。根据吉布斯自由能公式所示： 式中T为热力学温度，Hmix为混合焓，Smix为混合熵，Gmix为吉布斯自由能。由公式很容易看出混合焓和混合熵之间的关系是相互对立、相互制约的，合金自由能便是它们结合的产物。简单BCC和FCC结构固溶体的形成需要较低的自由能，而高熵合金的混合熵很高，这就使得合金的自由能极低，合金最终倾向于形成简单固溶体相。(2)高熵合金仅在铸态或是完全回火态下就会析出纳米晶颗粒。这是因为高熵合金在熔炼时，各元素熔化后的原子混乱排列，凝固时这些原子很难进行扩散和再分配，这就有利于在合金基体内部形成纳米晶颗粒。(3)高熵合金拥有极大的混乱度，特别是在高温下，其混乱度将会变得更大。根据合金自由能越低，则合金系统越趋于稳定的原则，高熵合金在高温下的稳定性依然极高，固溶强化依然存在，因此合金拥有极高的高温强度。研究表明，高熵合金在1000的高温下进行长时间(约12小时)的热处理后，硬度不降反升，与传统合金形成了鲜明的对比，如下表3.1所示。AlloysHardness(HV) as-castHardness(HV) annealedCuTiVFeNiZr590600AlTiVFeNiZr800790MoTiVFeNiZrCo740760CuTiVFeNiZrCo630620AlTiVFeNiZrCo790800MoTiVFeNiZrCo790790CuTiVFeNiZrCoCr680680AlTiVFeNiZrCoCr780890MoTiVFeNiZrCoCr850850316 Stainless Steel18915517-1P Hstainless Steel410362Hasetlloy C236280Stellite 6413494Ti-6Al-4V412341 表3.1高熵合金与传统合金回火比较 (4)高熵合金以简单BCC和FCC结构固溶体存在时，由于组成元素之间在原子半径、晶体结构等方面存在差异，高熵合金的固溶强化会产生强效，导致位错在合金内部难以进行，因此合金硬度和强度都较高：而当高熵合金以非晶结构存在时，更是不存在位错，因此合金性能更强。(5)高熵合金的主要组成元素至少5种以上，合金的晶格扭曲情况十分严重，因此合金的物理、化学性能以及机械性能也将会产生极大的变化。(6)高熵合金中总有一些元素，如Al元素，会使合金产生致密氧化物，而高熵合金通常都具有纳米晶、非晶、单相、低自由焓的特性，因此高熵合金的耐腐蚀性能比传统合金更为优秀。3.3多主元效应高熵合金之所以微观结构上具有简单结构的固溶体，不倾向于出现金属间化合物，倾向于纳米化，甚至非晶；性能上，具有高的强度、硬度与加工硬化性，耐高温氧化与软化，具有良好的耐磨与耐蚀性，电阻率高等优于传统合金的特征，是因为这些结构与性能特性都源于高熵合金具有多主元效应，具体表现如下几个方面。（1）高熵效应对高熵合金的研究表明，当合金由多种主要元素组成时，将产生高熵效应，形成具有体心立方或面心立方等简单晶体结构的固溶体相。这种现象可以根据Gibbs自由能方程解释： Gmix =Hmix-TSmix 当混合焓改变不大时，混和熵越高，Gibbs自由能越负，体系的相越稳定，由此表明，具有高熵状态的固溶体形态可能是高熵合金的稳定态。混合熵与混合焓处于相互竞争的地位，在高温阶段混合熵起主导作用。因此，随机互溶状态下高熵合金较大的混合熵就会相当程度地扩展端际固溶体或金属间化合物的溶解范围，从而形成简单的多组元互溶相，这种情况在高温阶段尤为明显。高的混合熵增进了元素间的兼容性，避免发生相分离而导致端际固溶体或金属间化合物的生成。（2）晶格畸变效应由于高熵合金原子种类多,并且原子尺寸大小不同，当原子尺寸差异达到一定程度是将会产生严重晶格畸变。如图3.2，包含多种元素的晶格严重畸变，产生强大的晶格畸变能，如果晶格畸变能太高，将无法保持晶体的构型，畸变的晶格将会坍塌而形成非晶相。晶格畸变大大影响合金的物理化学性能，如导致固溶强化，影响合金的导电性、磁性、导热性等。 图3.2 含有多种不同原子尺寸晶体晶格畸变（3）缓慢扩散效应高熵合金的铸态微观组织倾向于纳米化与非晶，主要原因与动力学有关。因为相变取决于合金中不同元素原子的协同扩散与不同相的平衡分离。在高熵合金的铸造过程中，液-固相变时，多个元素间的协同扩散更为困难，而且严重的晶格畸变将减缓元素的扩散速率，故高温时相的分离很缓慢，甚至被抑制而延迟到低温，这是铸念的高熵合金出现纳米析出物的根源。如果铸造时冷却速率很大，原子这种缓慢的扩散将抑制晶核的形成，合金将形成非晶质。（4）鸡尾酒效应 鸡尾酒的英文名称是Cocktail，是一种以蒸馏酒为酒基，再配以果汁、汽水、矿泉水、利口酒等辅助酒水，水果、奶油、冰淋、果冻、布丁及其他装饰材料调制而成的色、香、味、形俱佳的艺术酒品。它兼具了酒与果汁的长处，而淘汰了自身的缺点。勾兑出效应，融合成优势这被人们称之为“鸡尾酒效应”。对于高熵合金出现的各种优良的结构与性能，S.Ranganathan称之为“Multimetallic Cocktails” ，也就是说这种新型的合金也有“鸡尾酒效应”，因为合金包含有多种元素，各种元素之间相互作用，兼具了各种元素的基本特性，又淘汰了各自的缺点，呈现出一种复合效应。可以通过添加或改变某些元素的含量，改善合金的微结构，加强其在合金中的特性，在不损害合金的性能的基础上提升合金的某些性能。例如添加B元素可以提高合金的耐磨性与高温压缩性能；Co、Cu、Ni元素促进FCC结构的生成，而Al、Cr促进BCC结构的生成，影响合金的强度。3.4高熵合金的应用（1）高速切削用刀具高熵合金具有较高的硬度和耐磨性。多数高熵合金的铸态组织硬度为600900H V，相当于或者大于碳钢及合金碳钢的完全淬火硬化后的硬度；改变 合金元素的含量，还可进一步提高合金的硬度。而且高熵合金还通常表现出很高的耐热性，例如，Al0.3CoCrFeNiC0.1高熵合金在7001000时效处理72h后，合金硬度非但没有下降，反而有不同程度的提升。普通高速钢，如W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2的有效切削加工温度在600以内，温度再高，刀具会明显钝化。此外，高速钢刃具在获得高硬度、高耐磨性的同时，牺牲了钢材的塑性及韧性，使刀具常常出现折断、崩刃等失效形式。 而高熵合金在获得高硬度的同时，具有较好的塑性、韧性。例如，FeCoNiCrCuAl0.5经50压下率冷压(即冷压合金时的塑性变形量达到50)后，非但没有出现任何裂纹，反而在枝晶内部出现了纳米结构，大小约数纳米到数十纳米，合金硬度得到进一步提升；AlCoCrFeNiTi1.5在32以内的压下率内冷压，也表现出非常好的延展性。这么大比例的压下率，对于高速钢来说是不可想象的。故而高熵合金应用于高速切削刀具的制造具有明显的优势。此外，磁控溅射法制备高熵合金镀膜的成功，可以在普通钢制刀具表面镀上一层高熵合金薄膜，镀膜厚度在25um以内。这样一来，既可以获得良好的切削加工性能，又能节约成本。(2) 各类工具钢和模具钢高熵合金具有高硬度、高耐磨性、高强度及优良的耐高温性能、耐蚀性，使之非常适合制备各类工、模具，尤其是挤压模和塑料模。例如A1CoCrFeNiTi1.5的抗压强度高达2.22GPa，含有Cr或Al的高熵合金具有高达1100的优异抗氧化性能。普通模具钢则无法兼顾耐磨性、耐蚀性、耐高温性及良好的塑性。(3) 高尔夫球头高硬度、高耐磨性和较低的弹性模量，使高熵合金非常适合制作高尔夫球头打击面。高熵合金制成的高尔夫球头，可以在保证球头打击面具有较长使用寿命的同时，将球击打得更远，从而提升产品档次，增加产品附加值。(4) 超高大楼的耐火骨架美国“911”事件中，双塔的整体坍塌很大程度上是因为大楼骨架钢筋受热后强度急剧下降，从而无法负荷大楼重量所致。随着土地资源的紧缺，国内外修建超高大楼的案例将越来越多，因而超高大楼的耐火安全性正引起人们越来越多的重视。高熵合金具有极高的抗压强度和优良的耐高温性能，用做超高大楼的耐火骨架，可以使大楼在发生意外火灾而导致楼体温度较高时保持原有的承重能力，保证大楼的安全，减少人员和财产的损失。(5) 化学工程、船舶的耐蚀高强度材料高熵合金的耐蚀性优异。室温条件下，高熵合金Cu0.5NiAlCoCrFeSi在1mol/L的NaCl和0.5mol/L的溶液中的耐蚀性比304不锈钢（相当于我国钢号中的OCr18Ni9）还要好；CuAlNiCrTiSi合金在5%的HC溶液中比304不锈钢更加耐蚀。(6) 涡轮叶片高熵合金良好的塑性使其易于制成涡轮叶片，而其优良的耐蚀性、耐磨性、高加工硬化率及耐高温性能，可保证涡轮叶片长期、稳定地工作，提高服役安全性，减少叶片的磨损、腐蚀失效。(7) 电子器件、通讯领域 高熵合金具有软磁性及高电阻率，因而在高频通讯器件中有很大的应用潜力。可用以制作高频变压器、马达的磁芯、磁屏蔽、磁头、磁碟、磁光盘、高频软磁薄膜以及喇叭等。(8)其它方面综上所述,高熵合金集众多优越性能于一身，可以应用的工业领域非常广阔。除了上面提到的领域外，高熵合金还可用作焊接材料、热交换器及高温炉的材料等。4高熵合金涂层的金相组织观察4.1仪器介绍 该实验所用的显微镜为:三目倒置金相显微镜 XJP-6A 。如图4.
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号