高熵合金概述

高熵合金薄膜简介及研究进展——王春吉1720600351.高熵合金简介目录2.高熵合金的强化机制3.高熵合金特性与应用4.高熵合金薄膜的制作一.高熵合金简介2004年多主元高熵合金被提出，并着重强调其固有的高混合熵。1.合金的熵值较高。2.合金中含有5-13个主要元素（5％≤X≤35％即不分主次）。3.合金体系（7099）的数量大于传统合金（30）。4.四个主要特性包括：高熵效应（热力学），迟缓扩散效应（动力学），晶格扭曲效应（晶体结构），鸡尾酒效应。高熵效应高熵效应在简化微观结构中起着重要作用。1.形成固溶相，例如bcc和fcc，而不是有序相或金属间化合物。BCCFCC2.相数远远低于最大值根据吉布斯相律有：F=C-P+1P=C+1F：自由度;C：系统的组元数（例如化合物的数目）;P：在该点的相态数目.高混合熵增强了元素间的互溶性，并防止相分离成有序相或金属间化合物。△Gmix=△Hmix-T△Smix为什么高熵效应可以简化微观结构？高熵合金的高熵显着降低了自由能，从而降低了其在合金凝固过程中（特别是在高温下）的有序和偏析倾向（溶解度↑），使得固溶体更容易形成并且比金属间化合物或其他有序相更稳定。△Smix=RInn迟缓扩散效应高熵合金多主元的特点造成了迟缓扩散效应。多元晶格高度扭曲，因为所有的原子都是溶质原子，并且它们的原子尺寸都是彼此不同的。FCC原始元素晶格FCC5元素HE合金BCC5元素HE合金晶格扭曲效应从动力学角度来看，相分离的有效扩散速率将受到阻碍原子运动的晶格畸变的限制，从而形成了晶格扭曲效应。HE合金可以产生纳米晶的沉淀或铸态下的无定形结构。而在冷却过程中，HE合金可能发生相变。晶格扭曲：在分配过程中元素的替代扩散和相互扩散组分间的相互作用存在困难。而在冷却过程中的相分离通常在较高的温度下受到抑制，因此延迟至较低的温度。它们最终降低了成核和生长速率，导致纳米晶体的形成。鸡尾酒效应高熵合金可被视为原子级复合材料，因此它们表现出复合效应的原因有：1.元素的基本特征；2.所有元素之间的相互作用；3.各种元素对微观结构的间接影响；如果使用更多的轻元素（原子序数10至20），整体密度将会降低。如果使用更多的抗氧化元素，例如Al，Cr和Si，则可以提高高温下的抗氧化性。如果添加具有强结合力和与其他元素具有不同原子尺寸（例如Co，Cr，Cu，Fe和Ni）并促进BCC相的形成元素，强度将会增加。铝含量对相变的影响（AlxCoCrCuFeNi）：FCC至BCC二.高熵合金的强化机理①.固溶强化机理当引入溶质原子时，会形成与位错相互作用的局部应力场，从而阻碍它们的运动并导致材料屈服应力的增加。②.高固溶强化在HE合金中不存在基体元素，所以所有的原子都可以被认为是溶质原子。同时，HE合金具有晶格畸变效应，可以增加位错运动的阻力。③.降水强化机制它依赖于固体溶解度随温度的变化而产生杂质相的细小颗粒，这阻碍了位错的移动，并导致材料的硬化增加。④.HE合金中的析出强化纳米晶体分散体将在铸态HE合金中提供有效的析出强化。三.高熵合金特性与应用①.出色的抗退火软化性•表1显示在1000℃退火12h后的硬度。②.高温强度•AlXCoCrCuFeNi（Fcc）具有在高温下保持高强度的优点。•AlCoCrFex合金在高温下具有比高速钢更高的硬度。A：Al0.5CoCrCuFeNi；B：Al01.0,CoCrCuFeNi；C：Al2.0CoCrCuFeNiAlCoCrFex合金在高温下具有比高速钢更高的硬度：高熵合金的耐磨性：高熵合金的应用①.它可以用作建筑物的防火框架：•锻造Al0.3CrFeMn-X合金在700℃时的硬度比室温时（Hv300）高，比2-1/4Cr-1Mo耐火钢更优异。•金属元素的成本较低。②.它可以冷轧成箔。•AlCrFeMnNi合金在冷轧时比304不锈钢好，它可以连续冷轧成70μm箔片而没有任何裂纹和硬化。•这种HE合金具有非常好的可加工性，可以达到至少4257％的冷轧延伸，然而不锈钢仅具有1543％。四：高熵合金薄膜的制作薄膜制备方法有：•激光熔覆：将混合的纯合金粉末涂覆在基片上，利用高温快速融化粉末再快速冷却从而制备出高熵合金。操作简便，但是粉末混合过程容易产生较大的应力。•电化学沉积：在含有所要生长元素电解液的电解池中，将所需要沉积的基底作为阳极，惰性耐腐蚀材料作为阴极，从而沉积成膜。沉积速度较慢，体系限制较大不易推广。•磁控溅射：将靶材原子轰击溅射沉积于基片上。该方法沉积速率高，工艺简单，成分容易控制。结语高熵合金具有一系列优越的性能，如高强度、高硬度、高抗氧化性以及耐蚀性等。如今高熵合金薄膜的研究主要分为三个类别：金属涂层、化合物涂层以及复合涂层。高熵合金提出了丰富的合金设计理念，为我们对于薄膜的选择增加了更多的可能性。熔覆和磁控溅射是当前制备高熵合金的主要方法，沿用传统的硬质薄膜制备理论设计开发高熵合金涂层将成为涂层研究的一大重点。