理工论文快速发展中的高熵溶体合金.doc

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1、快速发展中的高熵溶体合金 快速发展中的高熵溶体合金是小柯论文网通过网络搜集，并由本站工作人员整理后发布的，快速发展中的高熵溶体合金是篇质量较高的学术论文，供本站访问者学习和学术交流参考之用，不可用于其他商业目的，快速发展中的高熵溶体合金的论文版权归原作者所有，因网络整理，有些文章作者不详，敬请谅解，如需转摘，请注明出处小柯论文网，如果此论文无法满足您的论文要求，您可以申请本站帮您代写论文，以下是正文。 摘 要多主元高熵合金是依据等原子比、高混合熵这样的合金设计理念而发展起来的，与传统的单主元合金或两主元金属间化合物不同，它一般由5种以上主要元素构成，各种组元协同起作用，这使得其组织和性能特点在

2、许多方面有别于传统合金.现有的研究表明，作为一个材料研究的新兴领域，高熵合金有着很高的研究价值与应用前景.文章介绍了高熵合金的定义、组织、性能特点及其应用,并介绍了该方向的一些最新研究进展.关键词混合熵，等原子比,多主元，固溶体Fast moving prospects of multi|principal component alloys with high mixing entropyZHANG YongZHOU Yun|JunCHEN Guo|Liang(State Key Laboratory of Advanced Metals and Materials, University o

3、f Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)AbstractMulti|component high|entropy alloys have been developed based on the strategy of equi|atomic ratio and high mixing entropy. They are generally composed of over five kinds of major components, and have distinctive microstructure and prop

4、erties. According to current research, high|entropy alloys have both scientific significance and application potential. In this paper their definition, microstructure, properties and applications are reviewed, together with a description of the latest research results.Keywordsentropy of mixing, equi

5、|atomic ratio，multi|component, solid solution1 引言迄今为止，人类已开发的合金系包括以铁为主的钢铁材料，以铝为主的铝合金，以及钛-铝等二元金属间化合物体系等众多合金系13 .这些合金设计时都是基于某些主要的性能要求，选择一种或两种主要元素，同时在合金化过程中添加少量其他元素来满足一些次要性能4.通过这种设计策略，人们积累了很多基于一种或两种元素的合金发展知识，现有关于结晶相的生成、结构和性质的理论也主要是基于这些合金.目前合金体系的发展已趋近饱和，要再创造出新的合金系似乎日趋艰难.要突破合金发展的瓶颈，途径之一就是突破传统的合金设计理念.上世纪90

6、年代开始提出的多组元高熵合金设计理念就是在传统的多元合金设计思想的基础上对传统的合金发展框架的突破 而形成的一种新的合金发展思路5.2 高熵合金的定义熵是热力学上代表混乱度的一个参数，混乱度越大，熵就越大.一个物质系统的熵，包括原子排列混合熵以及原子振动组态、电子组态、磁矩组态等所贡献的熵.对于合金而言，合金熵的计算以原子排列的混合熵为主.根据玻尔兹曼关于熵变与系统混乱度的假设，对于一个包含N种元素的等原子比合金体系，从纯元素状态转变为随机互溶状态的混合熵的增量为式中R = 8.31 J/K mol 表示气体常数.图1为根据上述混合熵增量方程计算得到的混合熵与等原子比合金中组元数的函数关系.在

7、图1中，在随机互溶状态下，二元等原子比合金与五元等原子比合金的混合熵分别为5.76 J/K mol和13.37 J/K mol.对于有序金属间化合物，由于原子之间的混合方式非常有限，所以其混合熵应该小一些.根据图1的特点，高熵合金倾向于设计成为包含5种到13种金属元素的多主元合金系统.之所以把5种元素作为下限是考虑到包含5种元素的多主元合金系统的混合熵已经足够抵消大多数合金系统的混合焓，从而确保固溶体相的生成.而当元素超过13种时，图1中的曲线趋于稳定，这表示增加组元个数并不会大幅度地增加合金系统的混合熵.高熵合金可以设计成等原子比合金或近等原子比合金，也就是说，高熵合金中每种组元元素的原子分

8、数不一定完全相等，不过应该介于5%和35%之间，按照这样的标准就可以极大地扩展可能的高熵合金系统的种类.根据上面给出的高熵合金的定义，可以根据随机互溶状态的混合熵把整个合金系统粗略地分为三类，即：（1）以1种或2种元素为主要组成元素的低熵合金；（2）包含2种到4种主要元素的中熵合金（常用合金）；（3）包含至少5种主要组成元素的高熵合金，如图2所示.值得注意的是，所谓随机互溶状态是指在液态溶液或高温固溶体状态下，能量足够高从而使得不同的元素能够随机占据结构中的位置.因此，高熵合金是指具有随机互溶状态导致的高熵特征的包含多种主要组成元素的合金类型7.由此可见，多组元高熵合金的设计自由度很大，可选择

9、的合金元素多种多样.利用这些元素不但可配成同类或异类不同元素、不同特性的“多组元高熵合金”，还可添加微量元素（包括类金属元素如C，Si等）以改善合金的组织与性能.3 高熵合金的微观组织特点通常认为包含多种主要元素的合金会形成复杂而且硬脆的微观组织，因此人们很少关注这类多主元合金.事实上发现由几种化学相容性较好的元素组成的高熵合金只生成很少几种固溶体相，甚至是单一的相，这种现象可以归因于高的混合熵的作用.生成相的数目远小于由吉布斯相律确定的最大数目，这就意味着高的混合熵增进了元素间的相溶性，从而避免发生相分离而导致多种金属间化合物或复杂相的生成.图3(a)，(b)为TixCrFeCoNiAl和A

10、lxTiVCrMnFeCoNiCu合金系的X射线衍射（XRD）图谱，可见其中的部分成分的合金凝固后并没有形成数目众多的金属间化合物,而是形成了以简单的体心立方或面心立方相为主的结构，其相组成相当简单.图4所示为CrFeCoNiAl和Al2TiVCrMnFeCoNiCu合金高熵合金的微观组织形貌.由图4可知，CrFeCoNiAl合金组织呈单相，而Al2TiVCrMnFeCoNiCu合金在BCC基体上析出部分以铜为溶剂的端际固溶体.两种合金的组织都相对简单，并没有出现多相共存的现象.常用合金的研究也认为：多组元的合金中将形成种类繁多的金属间化合物或者分别由各种基体元素之间相互形成的端际固溶体，使得

11、合金结构极其复杂10，11.这说明，对这些成分的高熵合金来说，组织中所生成的相数远远小于吉布斯相律的预测值.这种现象可以根据Gibbs自由能方程得到很好的解释： 式中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12.图5表示包含6种主要元素的体心立方结构.事实上，这样一个包含多种元素的晶格一定是严重畸变的，因为所有原子都是溶质原子而且原子尺寸此外，在高混合熵的作用下，有些成分的高熵合金在铸态就会析出纳米相结构甚至形成非晶态结构，如图6所示.合金

12、纳米化倾向的主要原因与动力学理论有关.因为当高熵合金熔解时，所含元素混乱排列成为无序液体，凝固后，由于多元素的扩散及重分配，导致析出物的成核及长大延迟，从而有利于纳米相的形成.对于快速凝固或真空镀膜而言，由于原子大小差异会造成晶格扭曲，高熵合金更能展现纳米化，甚至非晶化的倾向7.合金相变取决于原子扩散，且需要元素之间的协同扩散才能达到不同相的平衡分离.这种必要的协同扩散，以及阻碍原子运动的晶格畸变，都会限制高熵合金中的有效扩散速率.在高熵合金的冷却形成过程中，冷却时的相分离在高温区间通常被抑制而会延迟到低温区间.这也就是铸态的高熵合金基体中往往出现纳米析出物的原因所在.在镀膜技术中，缓慢扩散效

13、应体现在多组 快速发展中的高熵溶体合金是小柯论文网通过网络搜集，并由本站工作人员整理后发布的，快速发展中的高熵溶体合金是篇质量较高的学术论文，供本站访问者学习和学术交流参考之用，不可用于其他商业目的，快速发展中的高熵溶体合金的论文版权归原作者所有，因网络整理，有些文章作者不详，敬请谅解，如需转摘，请注明出处小柯论文网，如果此论文无法满足您的论文要求，您可以申请本站帮您代写论文，以下是正文。元系统容易形成非晶态结构，因为晶态相的形核和生长过程都会受到抑制.总之，高熵合金的相组成不完全是由其固有的高混合熵特性来控制的，还有其他因素也在其中起作用，其具体机制非常复杂，尚需进一步研究.4 高熵合金的性

14、能高熵合金有许多独特的性质，通过适当的合金配方设计，可获得高强度、高硬度和耐腐蚀等各种特性，其特性可与传统合金相媲美.4.1 力学性能由表1可知，TixCrFeCoNiAl合金系具有极好的综合力学性能，特别是Ti0.5CrFeCoNiAl合金，屈服强度高达2.26 GPa，压缩塑性达到23%，其综合力学性能不亚于目前已报道过的绝大多数高强合金.4.2 磁性能由图8,9可知，对于Ti0.8CrFeCoNiCu合金和TiCrFeCoNiCu合金，其磁化曲线上除了居里温度外，在1923 K的温度区间内还出现了超顺磁转变的特征温度闭塞温度（blocking temperature TB）.虽然TB太低

15、限制了上述两种合金作为超顺磁材料的实用价值，不过这给我们提出了采用调整合金成分的方法来改善其磁学性能的思路.4.3 抗腐蚀性能如表4所示，高熵合金与不锈钢一样具有优异的耐腐蚀性,在高浓度硫酸、盐酸、硝酸中不发生腐蚀现象.5 高熵合金的潜在应用高熵合金拥有很多优异的特性，并可通过适当的成分设计进行强化，其性能不亚于传统合金，潜在的应用前景十分广泛.高熵合金的实际应用除可利用其良好的力学性能外，还可利用其光学、电学和磁学等各种物理、化学特性.例如：高硬度且耐磨耐高温的工具、模具和刃具；高尔夫球头的击打面、油压气压杆、钢管及轧压筒的硬面；高频变压器、马达的各种磁性器件；工厂、轮船的耐蚀高强度材料；涡

16、轮叶片、焊接材料、热交换器及高温炉的材料；超高大楼结构的耐火骨架以及微机电元件等.图11是高熵合金已经取得的一些应用举例.高熵合金的设计思想是一种全新的概念，这可能引发人们在这方面进行更多的探索，从而极大地扩展合金研究领域.同时，现有工作已经证明：高熵合金作为一个新兴的材料研究天地，它不但是一个可合成、加工、分析和应用的新合金世界，也是一个具有很高学术研究价值以及工业发展潜力的丰富宝藏.参考文献1 Porter D A, Easterling K E. Phase transformations in metals and alloys. UK: Van Nostrand Reinhold C

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