高熵合金研究的新进展

高熵合金研究的新进展3

高家诚,李　锐

(重庆大学材料科学与工程学院,重庆400030)

摘　要:　介绍了高熵合金这一全新的合金设计概念。由于高熵合金由超过5种主元构成,因此具有许多有别于传统合金的组织和性能。概述了高熵合金的定义、特性以及相关热力学原理,重点介绍了最近3年来国内外在高熵合金领域取得的实质性进展。并展望了高熵合金在工业上的应用前景。

关键词:　多主元;高熵合金;微观组织;力学性能;研究现状

中图分类号:　TB303文献标识码:A 文章编号:100129731(2008)0721059203

1　引　言

几千年来,金属材料的发展对人类文明的进步有着极大的影响。人类由石器时代直至进入钢铁时代,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[1]。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[2～4],上百年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[5]。对合金成分的分析和性能的控制也带来极大的困难。所以传统理论认为:合金元素种类越少越好。

打破常规,颠覆传统,才能“柳暗花明”。2004年中期,国际上两个研究组率前跳出传统研究的框架,几乎同时提出了新的合金设计理论,即多主元高熵合金[6,7]。所谓多主元高熵合金(也称多主元高乱度合金),就是主要元素超过一种,一般每种不超过35%。该种合金由于多主元而体现“集体特色”,而且由于各种主元倾向于混乱排列,从而易形成简单物相。过去从未有人尝试使用多主元进行合金设计,故该领域还是一块尚待开发的处女地。多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巨大的发展潜力。本文主要内容即为多元高熵合金的发展和研究现状。

2　高熵合金的定义以及特性

在统计热力学中,熵与系统的混乱度相联系,根据Boltzmann关于熵与系统复杂度之间的假设,n种元素按照等原子比混合形成固溶体时的摩尔位形熵ΔS conf 由如下公式计算[8]:

ΔS conf=-k ln w=-R ln1

n

=R ln n

其中k是Boltzmann常数,w是混合复杂度,R为气体常数。由以上公式知:n=2时,ΔS conf=0.693R;当n=5时,ΔS conf=1.61R;当n=9时,ΔS conf=2.20R。如果考虑原子振动组态、电子组态、磁矩组态等对熵的正贡献,等摩尔合金的混合熵比计算的还要大。为了发挥多主元的高熵效应,一般定义n≥5的合金为高熵合金。

由下面的公式:

G mix=H mix-TS mix

可知,高熵效应能有效的降低系统的自由能。因此,高熵效应能让系统更加稳定。所以,合金元素多时,高熵效应会促进元素间混合形成体心立方(bcc)、面心立方(

fcc)或者非晶结构,而不形成脆性金属间化合物。图1是两种和5种不同原子混合形成固溶相的示意图,5种原子混合相已属于高熵合金的固溶相。

图1　两种及5种不同原子混合形成固溶相示意图Fig1Formation of solution which contain two ele2 ment s and five element s

从图1可以看出,高熵合金其实是一种“超级固溶体”。每一种主元由于高熵效应,都获得了比传统合金高得多的固溶度。

3　高熵合金的研究现状

目前制备高熵合金的方法主要是:在坩埚中按一定比例放入纯金属,然后于真空熔炼炉中反复抽真空后充入Ar气保护,全部融化均匀,在水冷铜模中浇铸

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高家诚等:高熵合金研究的新进展

3基金项目:重庆市锰、镁、锶矿资源综合利用及其高附加值新材料的制备(CSTC,2007AB4019)收到初稿日期:2007209229收到修改稿日期:2008204207 通讯作者:李　锐作者简介:高家诚　(1947-),男,重庆人,教授,博士生导师,主要从事镁合金功能材料研究。

成铸态。

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[9],是一个可合成、分析、控制的合金新世界,可用来开发大量的高技术材料,而且适用于传统的加工工艺。但是,目前高熵合金的研究还在起步阶段,从2004年至今,尚未获得具有实际用途的新合金。3.1　高熵合金的组织结构

通过光学和扫描电子显微镜以及XRD ,分别对MgAlZnSnSbPbMn 合金,FeCrMnNiCoV 合金[7],CuAlNiCr TiSi 合金[10],AlCoNiCr Fe Ti 0.5合金[11]等高熵合金系进行了研究。

从图2中可以看到,MgAlZnSnSbPbMn 合金和

CuAlNiCr TiSi 合金内部存在明显的板条状相。在板条状相之间,有大量的等轴状相存在。板条的宽度分

别在50和10

μm 左右,等轴状相直径分别在10和2

μm 左右。造成相尺寸差异的原因可能是合金成份的不同,也可能是冷却速度不同。FeCrMnNiCoV 合金和AlCoNiCr Fe Ti 0.5合金内部呈现明显的铸造枝晶结

构,枝晶的初生臂尺寸均在20

μm 以下,不规则的分布于枝晶周围。AlCoNiCr Fe Ti 0.5合金枝晶间还存在共晶组织。高熵合金内的各种组织普遍十分细小,接近

甚至达到纳米级[12]。而传统合金必须在特殊热处理条件下才能达到这样的效果[13,14]

。

图2　(a )MgAlZnSnSbPbMn 合金SEM 照片,(b )FeCrMnNiCoV 合金的SEM 照片[7],(c )CuAlNiCr TiSi 合金的

金相组织图[10]和(d )AlCoNiCr Fe Ti0.5合金的背散射SEM 照片[11]

Fig 2(a )The SEM p hoto of MgAlZnSnSbPbMn alloy ,(b )t he SEM p hoto of FeCrMnNiCoV alloy [7],(c )t he

metallograp hical map of CuAlNiCr TiSi alloy [10]and (d )SEM backscattered elect ron images of as 2cast Al 2CoNiCr Fe Ti 0.5alloy [11]

从图3可以看出,高熵合金中只出现了fcc 和bcc 相,不出现复杂的金属间化合物。CuAlNiCr TiSi 合金和AlCoNiCr Fe Ti .5合金内有两种不同的bcc 相,对比图2中的金相图片,我们认为分别是板条状相(或铸造

枝晶相)与板条间等轴状相(或枝晶间共晶组织)。随着组元的增加和组元种类的不同,高熵合金能在常规铸态条件下出现非晶相,成为大块金属玻璃[15]

。图3　(a )FeCrMnNiCoV 合金的XRD 曲线[7],(b )CuAlNiCr TiSi 合金的XRD 曲线[10]和(c )铸态AlCoNiCr Fe 2

Ti 0.5合金的XRD 曲线[11]

Fig 3(a )XRD pattern of FeCrMnNiCoV alloy [7],(b )XRD pattern of CuAlNiCr TiSi alloy [10]and (c )XRD pat 2

terns of as 2cast AlCoNiCr Fe Ti 0.5alloy [11]

3.2　高熵合金的性能特征高熵合金特殊的组织结构,决定了其特殊的性能。高熵合金是一种“超级固溶体”,因此固溶强化效应会异常强烈,在合金为结晶相时,大量的固溶原子能够阻碍位错的运动,从而形成高强高硬固体。高熵合金组元众多,扩散时各元素配合扩散,使新相难以长大,因此常见纳米析出相,又能进一步增强合金的强度。当高熵效应使得合金内的混乱度过高而形成非晶相时,由于无位错存在,则固体的强度更高。因此,高

强高硬是高熵合金主要的力学性能。从图4中可以明显的看到这个特点。从图4可以看出,合金具有极高的屈服应力、断裂强度、塑性变形和加工硬化能力,甚至超过大部分高强度合金,如大块金属玻璃。如此优异的力学性能,来自于Ti 原子在固体bcc 相晶格内的固溶强化效果。Al 、Co 、Ni 、Cr 、Fe 具有接近的原子半径,而Ti 原子半径较

60

12008年第7期(39)卷

大,在格点时畸变能显著提高

。

图4 5×10mm AlCoNiCr Fe Ti 0.5合金试样的压应

力2应变曲线[11]

Fig 4Comp ressive true st ress 2st rain curve of AlCoNi 2

Cr Fe Ti 0.5alloy rods wit h diameter of 5mm [11]

由于高温下合金内体系的混乱度加大,高熵效应更加明显。因此高熵合金表现出优异的耐温性。研究表明高熵合金在1000℃下12h 退火后炉冷而不出现回火软化现象,而工业使用的合金钢在550℃下就出现回火软化。不仅如此,含有Al 和Cr 的高熵合金还具有高达1100℃的优异的抗氧化性[4]。

高熵合金具有很强的耐蚀性,尤其是含有Cu 、Ti 、Cr 、Ni 和Co 的高熵合金。这是因为多元高熵合金具有非晶、微晶、相结构简单以及低自由焓等特点,而且各耐蚀组元在合晶中都能发挥本身的耐蚀性。

从表1,可知CuAlNiCr TiSi 合金抗腐蚀能力十分优异,在5%HCl 中比304不锈钢更加耐蚀,在10%NaO H 中也远比A309铝合金耐蚀。

表1　腐蚀试验失重结果

Table 1The result s of corro sion experiment s

合金

10%NaO H 5%HCl 304不锈钢0.00003(g )0.008595(g )A309合金完全腐蚀完全腐蚀CuAlNiCr TiSi [10]

0.00042(g )

0.00022(g )

3.3　高熵合金的应用展望

由于高熵合金具有许多传统合金没有的优异特性,因此是极具潜力的新型材料。由于其高硬度、高强度、高加工硬化、抗高温软化、抗高温氧化、耐腐蚀等特性,使高熵合金能够用于磨具、刀具等工具的制作,也能作为航空器、航天器和航海器制造所需的特种材料,

还可以用于锅炉中耐热元件以及化工设备的制造。虽然目前尚未有实用的高熵合金诞生,但是高熵合金的前景却一片光明。

4　结　语

传统合金的发展已经趋于饱和,突破以一种或者两种元素为主的传统发展框架已是冶金学家追求的一个目标。高熵合金就是在这样的背景下发展起来的。高熵合金还是一块处女地,无论是理论还是试验的研究都非常少。人们对这一合金化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“鸡尾酒”方法调配而成,还没有科学系统的选择合金元素的理论。另外,它们凝固后的组织形成以及各种物理化学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广阔的发展空间,对传统冶金和钢铁行业的提升具有重要意义。参考文献:

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2005,36(A ):881.

The development of studies in high 2entropy alloy

GAO Jia 2cheng ,L I Rui

(College of Materials Science and Engineering ,Chongqing University ,Chongqing 400030,China )

Abstract :The new concept of alloy design ,which is named high 2ent ropy alloy ,is int roduced in t his paper.The high 2entropy alloy has a lot of different characters t hat compare wit h t raditional alloys because it is contained more t han 5p rinciple element s.The definition ,characters and t hermodynamic laws of high 2ent ropy alloy are described ,especially ,t he p rogresses of st udies in high 2ent ropy alloy in recently 3years are int roduced in t his pa 2per.We also p redict t he applications of high 2entropy alloy in industry.

K ey w ords :multi 2principal elements;high 2entropy alloy;microstructure ;mechanical property;present state of study

1

601高家诚等:高熵合金研究的新进展

多主元高熵合金的发展现状及前景

多主元高熵合金的发展现状及前景 06级材料物理与化学 刘泽 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。

机械合金化制备高熵合金研究进展

第１９卷第３期２Ｏｌ２年６月 金属功能材料 ＭｅｔａｌＩｉｃＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＭａｔｅｒｊａｌ８ Ｖ０１．１９，Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ，２０１２机械合金化制备高熵合金研究进展 陈哲１’２，陆伟１’２，严彪ｈ２ （１．同济大学材料科学与工程学院ｔ上海２０１８０４１２．上海市金属功能材料开发应用重点实验室，上海２０１８０４；） 摘要：高熵合金作为一种新型合金逐渐被人们所关注，机械合金化是一种制备先进材料的固态加工工艺，利用机械合金化制备高熵合金也为高熵合金的发展及应用开拓了广阔的领域。本文介绍了高熵合金的简单概念，并从机械合金化中的元素选择、高熵合金粉末的后处理工艺及机械合金化制备高熵合金的研究方向三个方面综述了其研究进展。 关键词：高熵合金；机械合金化；研究进展 中圈分类号：ＴＧｌ４文献标识码：Ａ文章编号：１００５—８１９２（２０１２）０３—００５１一０５ ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅＳｓｏｆＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆ ＨｉｇｈＥｎｔｒｏｐｙＡｌｌｏｙｂｙＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡｌｌｏｙｉｎｇ ＣＥＨＮＺｈｅｌ”，ＬＵＷｅｉｌ”，ＹＡＮＢｉａ０１“， （１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒ８ｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２．Ｃｈｉｎａ； ２．ＳｈａｎｇｈａｊＫｅｙＬａｂ．ｏｆ Ｄ＆ＡｆｏｒＭｅｔａ卜ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ神ｔ：Ａ５ａｎｅｗａＩｌｏｙ。ｈｉｇｈｅｎｔｒｏｐｙａｌＩｏｙｈａｓｇｒａｄｕａｌｌｙａｔｔｒａｃｔｅｄ。ｕｒａｔｔｅｎｔｉｏｎ．Ａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌａ１１０ｙｉｎｇｉｓａｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｔｏｐｒｏｄｕｃｅａｄｖａｎｃｅｄｍａｔｅｒｉａｌ．Ｓ０ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｅｎｔｒｏｐｙａｌｌｏｙｂｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｌｌｏ—ｙｉｎｇｅｘｐａｎｄｔｈｅｆｉｅＩｄｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｊ∞ｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｌｌｏｙ．Ｔｋｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃ矗ｔｈｅｓｉｍｐｌｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆｔｈｅｈｉｇｈｅｎｔｒｏｐｙａｌｌｏｙａｎｄｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｒｅｓｅａｆｃｈｐｒｏｃｅ５５ｏｆｔｈｅａｌｌｏｙｔｉｎｃｌｕｄｉｌｌｇｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｐｏｓ卜ｐｒｏ—ｃｅ８ｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｐｏｗｄｅｒａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅａＵｏｙ． Ｋｅｙ钾ｏｒ凼：ｈｉｇｈｅｎｔｒｏｐｙａｌｌｏｙ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｌｌｏｙｉｎｇ；ｒｅｓ篦ｆｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓ 传统观念的合金通常是选择一种元素或化合物作为基体，并添加其他微量元素来提高合金某个方面的性能，来满足设计者的需求。若逐渐增加其他元素的含量成为多主元合金（即含有多种元素，且每种元素的含量均占主导地位）时，会生成很多金属问化合物，合金便会具有很高的脆性，并在加Ｔ和结构分析上都会带来一定的困难。为克服这种缺陷，我国台湾学者［１］提出了高墒合金的概念，从而改变了这种传统观念。高熵合金通常含有５种或５种以上的主要元素，且每种元素的含量均在５％～３５％之问。由于具有较高的混合熵，高熵合金通常为单一的ＦＣｃ或ＢＣＣ固溶体，从而具有优良的性能，如高强度、良好的热稳定性、较高的耐磨性和耐腐蚀性等。 目前，大多数研究者都采用电弧熔炼法制备高熵合金［２￣６］，但是传统熔炼法会限制样品的尺寸与形状，并限制其进一步应用。机械合金化（ＭＡ）作为一种制备先进材料的方法，更容易得到纳米晶和非晶结构，从而进一步提高高熵合金的性能，并扩展其应用范围。 作者简介：陈哲（１９８７一），男，辽宁锦州人．硕士生，Ｂｍａｉｌ：ｗｏｒｌｄｃｚ＠ｓｉｒＩａ．ｃｏ札通讯作者：陆伟（１９８１一）。讲师．硕士生导师，Ｅ－ＩＩＩａｉｌ：ｗｅｉｌｕ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃ也 万方数据

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

项目名称 高熵合金的相形成规律及组织-性能研究

项目名称: 高熵合金的相形成规律及组织-性能研究 推荐单位：北京科技大学 项目简介： 高熵合金是近二十年来通过独特的成分设计理念而开发出来的一类性能优异的新型金属材料，具有高强度、高硬度、高耐蚀和耐磨性、优异的磁学和热学等特征，在航空航天、精密机械、能源化工、信息和生物材料等高科技领域都具有重要应用或有潜在应用前景。 高熵合金多主元的成分特点，使其具有一系列不同于传统合金的组织结构和性能特征，同时也带来大量的科学问题有待解决。传统的材料理论无法对高熵合金中出现的一些新奇现象进行合理解释。高熵合金的相形成机理和结构-性能关联等是当前高熵合金研究的热点和难点，也是高熵合金领域面临的两个最基本的科学问题。 为此，从2005年起，项目组在国家自然科学基金和国家外专局和教育部“111”创新引智计划等项目支持下，利用高分辨电镜、原位中子衍射等先进实验技术结合第一性原理计算、热力学计算和统计分析对高熵合金的原子结构、相形成规律和形变机理进行了深入研究，获得了高熵合金固溶体相形成规律，揭示了高熵合金独特的结构-性能关系。基于这些规律，设计开发了一系列新型高性能高熵合金材料。项目取得了以下三个方面的原创性成果： 1. 高熵合金中相形成规律及结构预测：从原子尺寸差、混合焓和混合熵的角度出发揭示了高熵合金中固溶体相的形成规律；基于混合熵与混合焓相平衡原理，结合原子尺寸差参数提出了高熵合金相结构的设计准则。 2. 高熵合金中独特的结构-性能关系：揭示了FCC单相固溶体高熵合金中晶粒长大动力学及其独特的Hall-Petch关系；阐明了合金元素对典型高熵合金结构和性能的作用规律。

3. 新型高熵合金的研制：研制出力学性能优异的AlCoCrFeNiTi 体心立方固溶体高熵合金和面心立方固溶体结构的CoCrCuFeNiTi高熵合金；开发出高塑性、高电阻率、高饱和磁化强度的高熵合金；研制出具有拉伸塑性的高强度BCC结构TiZrHfNb难熔高熵合金。 本项目的研究成果不仅加深了对高熵合金形成机理的认识，而且在高熵合金固溶体相形成规律及合金相结构设计、以及具有优异性能的新型高熵合金的研制方面做出了重要贡献。截止到2015年6月，项目相关成果发表SCI论文60多篇，被SCI他人引用2500多次。在Progress in Materials Science、Acta Materialia 等一流学术期刊上的10 篇代表性论文被他人引用1436次，单篇SCI他引最高达321次，其中6篇论文入选ESI 前1%高被引学术论文，1篇论文入选2014年度中国百篇最具影响国际学术论文。 主要完成人及学术贡献 第一完成人：吕昭平，本项目的负责人，对本项目创新点有重要贡献，是所列代表性论文[7,8]的通讯作者，论文[1]的合作者。 第二完成人：张勇，本项目的主要参与人，对本项目创新点有重要贡献，所列代表性论文[1,2,6,9]的第一作者，论文[1,2, 3, 4, 5, 6, 9]的通讯作者 第三完成人：刘雄军，本项目的主要参与人，对本项目创新点有重要贡献，所列代表性论文[8]的合作者。 第四完成人：吴渊，本项目的主要参与人，对本项目创新点有重要贡献，所列代表性论文[7, 8]的合作者。 第五完成人：王辉，本项目的主要参与人，对本项目创新点有重要贡献，所列代表性论文[8]的合作者。 第六完成人：何俊阳，本项目的主要参与人，对本项目创新点有重要

高熵合金性能的研究现状

Metallurgical Engineering 冶金工程, 2018, 5(1), 17-24 Published Online March 2018 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/ed15688435.html,/journal/meng https://https://www.wendangku.net/doc/ed15688435.html,/10.12677/meng.2018.51003 Research Status of High Entropy Alloy Performance Lijuan Lan, Yingying Gu, Tianjiao Pu, Heguo Zhu* School of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu Received: Feb. 22nd, 2018; accepted: Mar. 8th, 2018; published: Mar. 19th, 2018 Abstract Due to its high strength, high hardness, excellent wear and corrosion resistance, good thermal stability at high temperatures and high oxidation resistance properties, high-entropy alloy is a new alloy with great development potential in areas such as aerospace and electronic communi-cation. Research status on the properties of high-entropy alloys is reviewed, including mechanical properties, corrosion resistance and high temperature oxidation resistance. Main effective factors on properties are separately discussed, with alloy elements, preparation process, plastic deforma-tion and alloy ratio included. The deficiencies existed in high-entropy alloys’ researches are sum-marized. The prospects of the properties of high-entropy alloys are also proposed. Keywords High Entropy Alloy, Mechanical Properties, Corrosion Resistance, Oxidation Resistance 高熵合金性能的研究现状 兰利娟，顾莹莹，濮天姣，朱和国* 南京理工大学材料科学与工程学院，江苏南京 收稿日期：2018年2月22日；录用日期：2018年3月8日；发布日期：2018年3月19日 摘要 高熵合金是一种新型合金，具有高的强度与硬度、优异的耐磨性与耐腐蚀性及强的热稳定性和抗氧化性*通讯作者。

高熵合金综述

Nature封面高熵合金：更强更韧更具延展性 5月18日，Nature封面报道了新加坡自由撰稿人XiaoZhi Lim 的一篇题为《Mixed-up metals make for stronger, tougher, stretchier alloys》（混合金属制造更强、更韧、更具延展性的合金），介绍高熵合金相关进展。 高熵合金概念由台湾科学家叶均蔚于1995年提出的。高熵合金含有多种主要元素，每种元素介于5%-35%之间。传统金属则是以一种元素为主，而高熵合金是多元素共同作用的结果。所以高熵合金是一种颠覆数千年以来的合金制备方法。与传统合金相比，高熵合金表现出更高的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀等等。 但是，高熵合金的机理及其科学问题尚未得到很好的理解。目前的高熵合金体系也只是通过“鸡尾酒”方法调配而成, 还没有科学系统的选择合金元素的理论。 以下是材料牛编辑整理的Nature文章内容： 咋眼一看，这个设备更像是在建造一个微型景观。一圈喷嘴对从四个喷管喷出的金属粉末加热，形成往下的光束。混合物进而凝聚成晶粒，形成一个逐步生长的柱状合金。当合金有2厘米高时，平台将其托到一遍，设备接着建造另一个。整个结果看起来是一个摩天大楼模型。 这些金属柱子由位于Lowa的美国Ames国家实验室建造，它反应了科学家们在对待合金上的重大改变。

制造合金的标准配方技术从远古铸剑到制造现代制造发动机引 擎叶片一直在沿用，也就是将有用的金属并混合一系列提升性能的东西，例如在铁中加碳制成钢。 但Ames的设备正在制造高熵合金实验样品，它由四个、五个，甚至更多的元素以严格的相同的比例混合而成。这种简单的配方可以出产那些比传统材料更轻、更强的合金，并且更耐腐蚀、耐辐照等等。最终，研究者们希望这个方法能够出产与以往完全不同的磁性或电性能的合金，并形成新一代技术。 北京科技大学新金属国家重点实验室张勇认为“我们几乎已经 探索过传统金属的所有方面，而对于高熵合金这方面的研究是全新的。”高熵合金尚未从实验室推广到市场，不过有研究者们正在朝这方面努力，期望在高温炉衬和超轻型航天材料等方面获得潜在应用。而这些领域同样在中国、欧洲、美国等地获得了资金支持。 帕特森空军基地实验室材料科学家Daniel Miracle认为“”我们并不是在谈论一种材料，而是上升到如何混合元素的哲学。” 找到新而激动的东西的机会是很高的。去年，他和同事们估计过从一组26个元素中，抽取3、4、5、6种金属元素等量混合，可得到大约313560种合金。更大的数量的合金可以扩展元素的选择得到。 但德国波鸿鲁尔大学的材料工程师Easo Georg认为并不是所有的混合都能奏效。科学家们仍在研究哪些是有效而哪些不是。他认为“可探索的空间仍然是非常巨大的，而我们目前只看到一小部分宇宙。”

高熵合金的研究进展

高熵合金的研究进展 邓景泉1，操振华2 （1.滁州学院机械学院，安徽滁州239000；2.南京大学现代工程与应用科学学院，南京210093） 摘要：高熵合金（HEAs ）是多主元合金设计理念下正处在探索阶段的新型合金。本文从高熵合金的成分、相结构、制备工艺及性能等方面归纳、分析、综述了国内外最新研究进展，文章结尾讨论了该类合金的研究及发展趋势。 关键词：高熵合金；多主元；结构性能中图分类号：TB331；TF133；TB304 文献标志码：A 文章编号：1673-2928（2018）06-0011-05 收稿日期：2018-08-20 基金项目：国家自然科学基金（51671103）。作者简介：邓景泉（1966-），男，安徽蒙城人，博士，副教授，主要从事金属材料工艺及性能研究。 DOI:10.19329/https://www.wendangku.net/doc/ed15688435.html,ki.1673-2928.2018.06.004 2018年11月第17卷第6期（总第96期） 安阳工学院学报 Journal of Anyang Institute of Technology Nov,2018 Vol.17No.6（Gen.No.96） 2004年我国台湾Yeh 在Advanced Engineering Materials 第一次提出了高熵合金的概念[1-2]，至今被引用800余次。高熵合金应用是一个全新的设计理念：多组员，4种或5种及以上；多主元，即每种合金元素的原子百分比相等或近似相等，每种元素都是主要元素，构成纳米尺度的材料复合，产生“鸡尾酒”效应（如图1所示） 。根据热力学知识，形成合金的自由能为：ΔGmix=ΔHmix －TΔSmix 。当合金的混合熵高到一定程度，其足以抵消混合焓的作用时，高熵的状态是自由能为负、相对稳定的 状态[3] 。合金系的混乱度高即体系的混合熵高，合金的有序度差，趋向于生成具有简单结构的相，而且生成的相的数目也远远小于经典吉布斯相律所预测的合金体系平衡相数目[4-5]。高熵合金由于多主元原子尺寸差异导致晶格各个阵点位置不同程度的偏移，产生晶格畸变。 图1五元体心立方结构高熵合金晶格示意图 Yeh [6]分析了CuNiAlCoCrFeSi 合金X 射线衍射峰的矮化、宽化数据，同一层原子面的高低不平，这使得X 射线在衍射过程中，在不平整的布拉格面 上产生明显的散射，衍射峰出现矮化、宽化，计算 的理论值与实验数据基本吻合，证明了晶格畸变的存在。Guo [7]通过中子衍射研究ZrHfNb 等多主元高熵合金，也证明了晶格畸变的存在。2013年， Tsai K Y [8] 通过FeCoNiCrMn 体系中不同的高温扩散偶实验，发现5个组元元素在该高熵合金基体中的扩散速率都要远低于其他单主元合金，表明在高熵合金中的畸变晶格应力场对扩散的阻碍以及大量不同原子困难的协调扩散导致。“鸡尾酒”效应，即多种主元高熵合金可以看作是原子尺度的复合材料，多种元素的本身特性和元素之间相互作用使高熵合金呈现一种复杂效应，印度的科学 家最早提出Ranganathan 即“鸡尾酒效应”[9] 。如果合金由较多的抗氧化元素，如铝、硅，则合金的高温抗氧化能力就会提高。1高熵合金的成份及组织结构1.1高熵合金微观结构 1.1.1面心立方固溶体结构的高熵合金 早期的高熵合金体系多以CoCrFeNi 四元面心立方固溶体为基体，加入其他元素提高性能。Yeh 等加入Cu 形成以CoCrCuFeNi 为代表的面心立方固溶体结构的高熵合金[1]；Cantor 等加入Mn 形成以CoCrFeMnNi 为代表的面心立方固溶体结构的高熵合金[6]。例如AlxCoCrFeNi [10]（x≦0.3）、CoCrCuFeMn?Ni [11-12]等都是单相面心立方结构的高熵合金。1.1.2体心立方固溶体结构的高熵合金 张勇等在CoCrFeNi 四元面心立方固溶体基体中加入Al 元素，形成以AlCoCrFeNi 为代表的体心立方固溶体结构的高熵合金。第四周期3d 副族元素及高熔点难熔炼金属元素形成的高熵合金基本