物理电气信息学院 本科毕业论文
[2]
。 若为结晶相，将发挥极度的固溶强化效应，导致位错运动困难(因为所有
原子都形成固溶相，对位错都能造成阻挡作用)，强度和硬度都很高；若为非晶态，因为无位错存在，所以滑动变形困难，强度更高；若合金中有纳米相析出，弥散强化将进一步提高合金的硬度和强度。近年来研究铝(A1)元素对合金影响的结果已表明，大多数的高熵合金随着Al元素含量的增加，合金的硬度和强度将会有显著的提高。原因为：Al元素为体心立方形成元素，随着A1元素的增加，体心立方的体积分数增加，硬度增加；其次Al元素的原子半径较大，含量的增加将引起严重的晶格畸变，显著增加合金的硬度，另外，等质量制成的高熵合金硬度要比非等质量的高熵合金硬度要硬得多。
2.2 耐磨性
高熵合金具有良好的耐磨性。研究Al Cr Nb Ti V高熵合金的粘着磨损行为时
发现，随着Al元素的增加，合金的硬度提高，磨损机制为氧化磨损，在合金表面形成的氧化膜有助于抵抗磨损。当铝的含量较低时(x=0．5)，合金由简单的面心立方(F C C)结构组成，x=1.0时，形成面心立方和体心立方(B C C)的混合结构；在磨损的表面，FC C区域有深的磨损凹槽，而BCC区域是光滑的，在光滑区域，虽然已经发生氧化磨损，但以层状磨损为主；当铝含量较高时(x=2．0)，合金的硬度提高，产生氧化磨损，氧化膜有助于抵抗磨损，故合金的抗磨损性能提高[3]。
2.3 耐蚀性
在高浓度硫酸、盐酸、硝酸中，高熵合金具有优异的耐蚀性，表现出与不锈钢一样的耐蚀性，有的合金比不锈钢还耐蚀。另外，高熵合金具有较高的电阻率、较低甚至负的温度系数、良好的软磁性等特性，在高频通讯器件有很大的应用潜力。由于高熵合金这些奇特的微观结构与优越的性能，许多国内外学者关注这种新型合会，如叶均蔚科研团队、清华大学、北京科技大学、吉林大学、武汉理工大学、哈尔滨工业大学等都进一步研究高熵合金的组织与力学、热学、耐蚀、磁学等性能，剑桥大学的Kim K．B．等也在研究等摩尔多主元合金等[12]。
2.4 多主元高熵合金的抗高温氧化能力
多主元合金由于高的熵值，高温下会使固溶体更稳定，且由于元素多使得扩散较慢及固溶强化极强，从而具有良好的耐温性。又由于为不同氧化电位的元素混合而形成固溶体，某些元素如Al、Ti、Ni、Cr易形成致密氧化膜，具有良好的抗氧化能力。
6
物理电气信息学院 本科毕业论文
2.5 耐热性
研究发现，大部分高熵合金具有比组成元素更高的熔点，高温下具有极高的硬度和强度。由于高熵合金混乱度大，再加上在高温下混乱度变得更大，高熵合金无论是结晶态还是非晶态都会变得更加稳定，仍然存在固溶强化效应，可获得极高的高温强度。有研究表明高熵合金具有耐回火软化性能，在IO00~C退火、24h炉冷到室温后，其硬度几乎没变化，甚至有析出硬化特性。AlCrNbTiV高熵合金在700～1000℃ 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。而传统合金如碳钢淬硬化后有明显的软化现象，耐高温的高速钢也会在550℃ 时发生软化。此外，高熵合金在高温下具有良好的抗氧化性，AlCrNbTiV高熵合金在750E下具有良好的抗氧化性，热重增加率为 0.04％，与其对比的纯镁热重增加率为2.74％[4]。对于普通高速钢，如w18C r4V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耐磨性的同时，牺牲了钢材的塑性韧性。钢材塑性、韧性较差，则刀具常常出现折断、崩刃等失效形式。而高熵合金在获得高硬度的同时，还具有较好的塑性、韧性。
7
物理电气信息学院 本科毕业论文
第三章 高熵合金四大效应
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。
3.1 高熵效应
传统合金未考虑往多主元方向发展的主要原因是认为合金中随着组元数目
的增加，会形成金属间化合物和复杂的微观组织。金属化合物及复杂微观组织会使材料变脆，而且使观察和分析很困难。这些想法阻碍了含多个主要元素的合金设计理念的提出和研究。
Gibbs相律给出了最大的平衡相公式，表达了平衡体系中可以平衡共存的相的数目和独立组元数目之间的关系。二者之间的关系满足下列关系：
??n?1 (3-1) 其中，?为平衡共存的相的数目；n为独立组元的数目。上述公式是在平衡的情况下，如果在非平衡条件下，??n?1。
然而中国台湾学者对高熵合金的研究发现多主元高熵合金凝固后不仅不会形成数目众多的金属间化合物，反而只形成简单的体心立方或面心立方相甚至非晶质，有时还会附带另一晶间化合物相，且所得相数???n?1。他们把产生这种特殊现象的原因归结为高熵效应，认为是由于高的混合熵加强了元素间的互溶，从而阻碍了金属间化合物的形成。
3.2 晶格畸变效应
高熵合金包含五种以上主要元素，因为各种元素的原子尺寸大小都不一样，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[5]，影响合金的导电性[6]、磁性
[7]
、导热性等[8]。
(a)BCC (b) FCC
图3-1 五元高熵合金中BCC和FCC晶格结构的理想模型
8
物理电气信息学院 本科毕业论文
3.3 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[9]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。
3.4 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1951。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”[10]，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。
9
物理电气信息学院 本科毕业论文
第四章 高熵合金的制备方法
4.1 合金成分
将合金成分Al Cr Nb Ti V按照等比例配成，以此研究多主元高熵合金微观组织结构和相关力学性能的影响。
4.2 合金的制备
4.2.1 多功能真空电弧炉工作原理
电弧炉是用一种电弧作为加热方式的电炉，电弧是气体的一种弧光放电。气体弧光放电极间电压很低，通过气体的电流却很大，有耀眼的白光，弧区温度很高（约5000k）。真空电弧炉是在真空条件下利用电弧热能熔炼金属的一类电炉。1953年真空电弧炉正式用到工业上。目前发展的情况可以用美国康撒克公司制造的真空自耗炉为代表。在真空状态下对工件（或材料）进行熔炼、热处理，可提高工具、模具的使用寿命，无氧化、无脱炭、表面光亮、变形小、节省能源无公害，并改变机械性能和冶金性能等优点。 4.2.2 操作过程
本实验中合金的熔炼采用多功能真空电弧炉在 (如图4-1)氩气的保护下，对合金进行熔炼。真空炉主要用于铝、铬、铌、钛、钒等高熔点活泼金属的熔炼，熔炼耐热钢、不锈钢等合金钢。多功能真空电弧炉是适合实验室使用的非标准设备，可以应用于单辊熔体快淬、真空吸铸制备棒状铸锭、电弧熔炼等。熔铸前, 把配置好的原料放入真空电弧炉内的水冷铜坩埚, 先将电弧炉抽真空, 当达6.6×10-4 Pa后再充入纯氩气, 并使炉内气压稍大于1×105Pa, 以保护试样不受氧化。熔炼合金过程中，凝固铸锭直径大约为50mm厚度约为20mm,这样重复熔化至少5次以便提高合金的化学成分的均匀性（本实验熔化6次）。在此次合金试样过程中，熔炼电流在100～200mA之间，搅拌电流为2.5mA。
图4-1多功能真空电弧炉
10