高熵合金的概念及其特点

梁栋，周文博，龚学磊，宋西琳，邢丹芳，王皓川

（中国石油大学（华东），山东 青岛 266580）

自从进入钢铁时代，金属材料便成为了人类生产工具和生活用品的主要原料，因此几千年来金属材料的发展对社会的发展和进步有着极大的影响。传统合金的设计理念是以一种金属元素为主元素，人类以此理念采用不同的的制造加工工艺来配制不同的合金，进而应用到不同的地方。尽管可以通过添加特定的少量合金元素来改善合金的性能，但合金元素种类过多会导致出现很多化合物例如脆性金属间化合物，从而导致传统合金性能的恶化，同时也给合金材料的组织和成分的控制带来很大的困难。上世纪90年代初，台湾学者叶均蔚提出了高熵合金的概念，即：以多种元素为主要元素的合金。也就是说这种合金是由多种元素集体领导而表现其特色。高熵合金具有很多的特性，如高强度，高硬度，耐磨性，耐腐蚀性和耐高温性，有着广阔的发展前景。

1 高熵合金发展及研究现状

1.1 高熵合金的发展

随着现代社会的发展,人们对更高性能的材料的性能需求增加,因此传统合金已经不能满足社会的要求,因为传统合金的合成理念是以一种或两种元素为主要元素的同时添加适量的其他元素来改善或增加合金性能,从而获得所需具有特殊性能的合金。这种合成方式带来了问题,一,金属的结构变得越来越复杂,使我们难以分析和研究；二,过多添加其他元素,使组织中出现了脆性金属间化合物,使合金性能下降；三,限制了合金成分的自由度,从而限制了材料的特殊微观结构及性能的发展。

高熵合金的概念由台湾学者叶均蔚提出,高熵合金的概念为含有多种主要元素,每种元素介于5%到35%之间, 因此没有一种元素含量能占有50%以上，这种合金是由多种元素共同表现特色。高熵合金的主要元素种类大于5小于13。

每一种多主元合金系统既可以设计成简单的等原子摩尔比合金,也可以设计为非等原子摩尔比合金,还可以添加次要元素来改良合金性能。高熵合金易形成简单结构列如:面心立方、体心立方等，并非形成复杂的金属间化合物。这是由于多种主要元素形成固溶体合金的高混合熵加强了元素间的相溶性,从而避免发生相分离以及金属间化合物或复杂相的形成。当然在某些合金体系中高熵效应并不能完全抑制金属间化合物的生成,但是这些金属间化合物数量少并且化合物一般具有简单的晶体结构,或者这些金属间化合物相包含很多其他元素而使得其有序度大为降低。

1.2 高熵合金的研究现状

高熵合金具有良好的发展前景,Al Fe Cu Co Ni Cr、AI TI Fe NI Cu Cr、AI Co Cr Cu Fe Ni等系列的高熵合金系列都被广大的学者研究。对于高熵合金,现阶段还可以对其微观组织结构进行相分析及电化学性能、磁性能的测定,对合金元素选择理论、凝固结晶理论以及热处理理论等进行进一步的研究。目前,制备高熵合金的方法有用熔铸、锻造、粉末冶金、喷涂法及镀膜法来制作块材、涂层或薄膜。除了上述几种传统的制作加工方法外,高熵合金还可通过快速凝固、机械合金化获得。

2 高熵合金的组织特点

2.1 固溶强化机制

高熵合金易于形成结构简单的BCC或FCC固溶体。由吉布斯自由能公式△G mix=△H mix-T △S mix,其中G mix为吉布斯自由能,H mix为混合焓,T为热力学温度，S mix为混合熵。通过公式得知,可看出,合金的自由能是混合焓与混合熵相互影响而得到的产物,混合熵与混合焓是对立的,形成简单结构的BCC或FCC固溶体需要的较低的自由能,由于高熵的原因,这使得合金的自由能变得较低,最终易形成简单固溶体。

2.2 第二相弥散强化机制

当高熵合金在铸态或完全回火态时,高熵合金会以纳米结构或者非晶质结构析出。其原因是,合金熔炼时,合金中各元素的原子溶化后,各原子在液相中混乱排列,凝固过程中,由于各元素的扩散和元素再分配,使得其形核和长大变得困难,而这有利于完全回火态下的高熵合金析出纳米结构和非晶质结构。

2.3 合金自由能与系统的关系

合金自由能越低,合金系统越稳定。我们知道自由能G、焓H、绝对温度T以及熵S的关系为G=H-T*S。从由玻尔兹曼的熵和合金系统复杂度之间的关系假设可得知,熵值随着合金中所含元素数目提高而增加。从吉布斯自由能公式可知:合金中的焓值会随熵值得增大而减小。由此我们可以得知,当熵值得增加会使合金自由能增加,从而使合金稳定。

3 高熵合金的性能特点

3.1 耐高温性

高熵合金具有较高的混乱度,且其混乱度会随着温度的增加而增加。我们知道自由度越低,合金越稳定。由于在高温状态下,高熵合金依旧有着高的熵值,因此高熵合金在高温下依旧稳定,固溶强化依然存在，因此高熵合金在高温时依旧保持着较高的强度。

3.2 高硬度和高强度

高熵合金的结构一般是简单的面心立方结构(FCC)和体心立方结构(BCC)的固溶体。合金组成元素之间的原子半径和晶体结构等方面有着不同,合金的固溶强化效应也使得合金中的位错运动也难以进行。故此,高熵合金由着较高的硬度与强度；当高熵合金处于无位错存在的非晶态时,其强度将会变得更高。

3.3 耐腐蚀性

高熵合金在凝固时,有些元素如AL、Cr、Co可使高熵合金形成致密的氧化膜,并且合金还具有微晶、非晶、单相及低自由焓等多种结构,所以高熵合金的耐腐蚀性能极好。

3.4 耐磨性

高熵合金的一系列强化效应使其具有较好的耐磨性能，合金元素的加入还可以改变其磨损机制（如AL元素增加，使分层磨损转化为氧化磨损，摩擦系数降低）。

4 结论

高熵合金具有成千上万个合金系统，为我们提供了开拓新材料、新现象及新功能的许多机会。由于高熵合金的组织和性能特点,从研发至今已经被广泛的应用,如焊接材料、电子器械、化学仪器、船舶材料，随着研究的深入,我们可以研发出更多新型的金属材料,为社会发展创造价值,因此这是一个很有价值的研究,无论对于学术研究还是工业发展。但是现在出现的高熵合金体系也只是通过所谓的“鸡尾酒”式的方法调配而成，还没有科学选择合金元素的理论。另外对于凝固后的组织形成以及各方面的性能，比如力学性能，电学和磁学性能等物理性能还没有清晰的认识。这都需要研究学者开发更多的制备方法，为高熵合金的应用提供无限的可能。