太原工业学院毕业设计（论文）
The microstructure study of AlCrCoFeNiMoTixSiy High-entropy alloys
Abstract: Principal elements of high-entropy alloys is only just emerging in recent years, which is a new type of material science. Its biggest feature is the breakthrough of the traditional alloy that only one or two kinds of metal elements based design framework, develop a new alloy design concept. High-entropy alloys based on equimolar or nearly equimolar ratio five or more than five key elements, taking melting, sintering or other means to get a combination of the metallic material. The increase of the key elements lead to produce high-entropy effect, crystal structure tend to form a simple body-centered or simple face-centered structure, intergranular compounds also may be precipitated nanocrystals. This phenomenon is playing a solid solution strengthening, precipitation strengthening and dispersion strengthening effect, which making the performance of high-entropy alloys have greater advantages compared to conventional alloys.
This paper picks Al,Cr,Co,Fe,Ni,Mo,Ti,Si eight commonly used metals, by changing the molar concentration of Ti,Si in the series to study alloy microstructure and properties. Using vacuum arc furnace to melt alloy, and phase structure analysis, and last taking the hardness of the alloy, compression and wear resistance test.
Found: the 8 series of alloys eventually formed a simple BCC，FCC and BCC+FCC structure solid solution, which with superior performance .Ti is the key element in performance for that 8 series of alloys. Especially strengthen its corrosion resistance, abrasion resistance and hardness, plays a very important role，it will have a development and application prospect.
Keywords: High-entropy alloys, microstructure, properties
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目录
1 绪论??????????????????????????????1 1.1概述????????????????????????????1 1.2选题背景、研究的目的和意义?????????????????1 1.3本课题研究的主要内容????????????????????3 2 文献综述????????????????????????????5 2.1多主元高熵合金的定义????????????????????5 2.1.1固溶体混合熵??????????????????????5 2.1.2高熵合金的界定?????????????????????6 2.2高熵合金的制备方法?????????????????????7 2.2.1电弧熔炼+铜模铸造法???????????????????7 2.2.2高频感应炉加热熔炼???????????????????8 2.2.3其他熔炼方法??????????????????????8 2.3高熵合金的特点及性能????????????????????9 2.4多主元效应?????????????????????????10 2.4.1高熵效应????????????????????????10 2.4.2晶格畸变效应??????????????????????11 2.4.3缓慢扩散效应??????????????????????11 2.4.4鸡尾酒效应???????????????????????11 2.5高熵合金的应用领域?????????????????????12 3 试验方法和步骤?????????????????????????15 3.1合金的成分设计及试样的制备?????????????????15 3.1.1合金的成分设计?????????????????????15 3.1.2合金试样的制备?????????????????????15 3.2合金的组织结构分析?????????????????????17 3.2.1金相照片的拍摄?????????????????????17 3.2.2 X-ray衍射实验?????????????????????26 3.2.3扫描电镜分析??????????????????????28 4 AlCrCoFeNiMoTixSiy高熵合金的微观组织结构研究?????????31 5 AlCrCoFeNiMoTixSiy高熵合金的性能研究?????????????33 6 总结与展望??????????????????????????35
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6.1 总结???????????????????????????35 6.2 展望???????????????????????????35 7 参考文献???????????????????????????36 8 致谢?????????????????????????????39
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1.绪论
1.1概述
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。
髙熵合金的性能比传统合金具有较大的优越性，但髙熵合金的元素种类不同，其力学性能，微观组织结构也会有所变化，故研究髙熵合金具体元素的特性也是很有必要，本文就以AlCrCoFeNiMoTixSiy为例，研究Ti、Si的含量对此髙熵合金力学性能所产生的影响。
1.2选题背景、研究的目的和意义
材料、信息、能源被称为现代科学技术的三大支柱，而材料又是一切技术发展的物质基础。任何新的技术成就，莫不仰赖于各种相互匹配的新型材料，而新型材料中金属材料是其重要的一个方面，例如航空、航天工业所需的高温合金，核工业的核燃料、核反应堆材料，现代信息技术使用的硅、锗等半导体材料、新
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型磁性材料等。由于这些新技术的发展又推动研制新的材料品种和发展新的冶金生产工艺和装备。由此可见，金属材料的开发和研究是科学技术的一个基本领域。 传统合金系统约有30种，其在特性上已经达到相当高的境界，但在许多方面仍然无法满足设计的需求，所以近年来，有更多的努力欲寻求突破，开发出了一些新的材料。如介金属材料、金属基复合材料、金属玻璃和无铅焊锡等。 介金属材料主要为：NiAl、Ni3A1、Ti3Al、TiA1、FeAl、Fe3Al等。这种材料具有高刚性／密度比、高温强度／密度比以及抗氧化性能，但是它的延性和韧性都极差，因此开发了近20年，尚未能有具体突破，仅有极少量的应用；金属基复合材料是以Al、Ti、Ni为基材，氧化物及碳化物为强化相复合而成的金属材料。它具有高刚性、耐温性和耐磨性的优点，但是也有极为明显的缺点，如它的强化相难以均匀分布、含孔洞、低韧性，使用可靠度也比较低，因此未能取代钛合金及其他结构材料；金属玻璃和无铅焊锡也由于存在这样或那样的不足，未能大量使用于实际。
蓦然回首，长久以来，我们都在传统合金观念下配制合金、开发其工业、研究其微观组织结构性能以及开发应用，无形中也就限制了合金发展的自由度及空间。究其原因，主要是因为在传统合金观念下，虽然可以添加少量合金元素来提高和改善材料性能，但如果合金中成分过多，会产生金属间化合物和复杂相，导致合金性能恶化；也给材料的组织、成分分析以及材料的性能控制带来极大的困难。
在这种观念的束缚下，金属材料的发展似乎钻进了一条死胡同，能够做出的突破越来越少，与日新月异的科技发展速度越来越不匹配。因此解放思想，打破桎梏，成为了新型金属材料研究的新课题。
上世纪七十年代以来，在合金领域里，众多科学家和学者做出了三个较大的突破，即：多元素大块非晶合金、多功能的超弹塑性合金以及纳米结构的高熵合金的制备。高熵合金是以中国台湾国立清华大学以叶均蔚为首的学者们，通过多元素大块非晶合金的研究，首先跳出了传统合金的狭窄理念，于1996年提出新的合金设计理念，高熵合金从此出现在了世人的面前。作为三种新型材料之中最后提出来的高熵合金，目前可以说是一块尚未开发的全新领域。但毫无疑问的，这是一个极具学术研究价值及工业发展潜力的高新科技，通过研究该项科技，可研发出大量实用和高技术含量的新型金属材料。通过试验研究发现，高熵合金地制备，除了可以使用传统金属的加工工艺以外，还可以利用速凝法、机械合金制备。
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