高熵合金概述
高熵合金综述
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某iaoZhiLim的一篇题为《Mi某ed-upmetalmakefortronger,tougher,tretchieralloy》（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Ame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Ame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。
高熵合金简介PPT课件
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高熵合金的特性
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高熵合金
高熵合金由于其具有很 多优异的性能，在过去的 十几年，吸引了大批的研 究者投入其中。到目前为 止，被研究过的高熵合金 大约有400多种，但是相比 起所有的元素组合方式， 这只是很小很小的一部分。 由于多种主元混合带来的 复杂性，人们对于高熵合 金的认识还不够完善。
对这一合金化过程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，对它们凝固后
的组织形成以及各方面的性能都还没有清晰
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，
叶均蔚教授为创造出高熵合金的第一人，
并以神奇的「金属调合学」来形容。
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高熵合金在性能上，也是非常独特的。元素间不同的尺寸和结合力，导致 了合金具有晶格畸变和缓慢扩散效应，保证了合金强硬；凝固过程中保留的大 量缺陷和能量，使得铸态的合金即保留了很大的残余能量，有利于孪晶等的发 生，变现出一系列优异的和特殊的力学行为；多种主元，保证了合金的钝化层 复杂，耐腐蚀性能优越，等等。现在的研究表明，高熵合金在机械性能、耐腐 蚀、耐磨损、磁学性能、抗辐照、低温性能等方面都很优异，目前越来越多的 国内外学者广泛关注！
性能 特点
高强度和高硬度 高耐磨型 高热稳定性 耐腐蚀性
高延展性
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高熵合金的应用
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应用
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利高用熵「合高金熵耐镀合高膜 金温」刀材料进行3D雷 射打印，可做出各 种形状的产品
高熵合金的特点及其研究现状
高熵合金的特点及其研究现状高熵合金（High-Entropy Alloys）是一种新型的金属材料，其特点主要体现在以下几个方面：1.多元组分：高熵合金由多个元素组成，通常由五种或更多元素组成，每种元素的摩尔百分比相近。
与传统的合金相比，高熵合金的元素组成更加均匀，更多元化。
这种均衡的组成能够增加材料的稳定性和均一性。
2.高熵效应：高熵合金中的元素呈现出一种无序分布的特征，这种无序分布被称为高熵效应。
高熵效应使得材料具有更高的熵（即元素的随机性），从而导致材料具有独特的结构和性能。
高熵效应能够提高合金的力学性能、耐腐蚀性和高温稳定性等方面的特点。
3.高强度和硬度：高熵合金由于结构的复杂性和高熵效应的存在，通常表现出非常高的强度和硬度。
这使得高熵合金在航空航天、汽车、能源和医疗设备等领域具有巨大的应用潜力。
4.耐腐蚀性：高熵合金中多元素的存在能够增强材料的耐腐蚀性。
高熵合金能够在极端环境下有良好的抗氧化和耐腐蚀性能，使其成为一种理想的材料选择。
目前，高熵合金的研究领域主要有以下几个方面：1.合金设计：合金设计是高熵合金研究中的关键问题。
通过制定适合的合金设计策略，可以合理选择不同元素的摩尔百分比和比例，以实现理想的性能。
常用的合金设计策略包括等原子比合金、渗碳合金等。
2.组织结构研究：研究高熵合金的组织结构对于了解其性能和行为具有重要意义。
通过使用传统的金相显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射等技术，可以观察合金的晶体结构、相组成和相变行为等。
3.模拟计算：通过分子动力学模拟和第一性原理计算等方法，能够模拟高熵合金的微观结构和性能。
这些计算方法为合金设计和性能预测提供了重要的理论依据。
4.性能优化：通过引入合适的合金元素和调整合金组成，可以进一步提高高熵合金的性能。
例如，通过添加一定比例的轻质元素，可以增强合金的塑性和韧性，从而改善其加工性能。
总体而言，高熵合金是近年来材料科学研究的热点领域之一、在未来，随着更多的研究和应用，我们可以期待高熵合金在各种领域的广泛应用和进一步发展。
高熵合金概述ppt课件
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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。
BC
FC
2.相数远C远低于最大值
C
根据吉布斯相律有： F = C - P + 1
P=C+1
F ：自由度; C ：系统的组元数（例如化合物的数目）;P ：
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
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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：
Al2.0CoCrCuFeNi
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AlCoCrFex合金在高温下具有比高速钢更高的硬度：
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高熵合金的耐磨性：
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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。
在该点的相态数目 .
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为什么高熵效应可以简化微观结构？
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。
△Smix = RIn n
△Gmix = △Hmix T△Smix
无序bcc高熵合金
无序bcc高熵合金摘要：1.无序bcc 高熵合金的概述2.无序bcc 高熵合金的特性3.无序bcc 高熵合金的应用4.无序bcc 高熵合金的发展前景正文：【1.无序bcc 高熵合金的概述】无序bcc 高熵合金，是指由多种元素组成的一种具有高熵状态的无序晶体结构材料。
这种合金在结构上呈现出无序的特点，晶体中的原子以随机的方式排列，形成高熵状态。
无序bcc 高熵合金通常具有高热稳定性、高硬度和良好的耐腐蚀性能等特点，因此在材料科学领域受到广泛关注。
【2.无序bcc 高熵合金的特性】无序bcc 高熵合金具有以下特性：(1) 高热稳定性：由于无序bcc 高熵合金中的原子以随机方式排列，使得晶体在高温下具有较好的稳定性。
(2) 高硬度：无序bcc 高熵合金具有较高的硬度，这主要得益于其无序的晶体结构，这种结构可以有效地抵抗外力的侵蚀，从而使合金具有较高的耐磨性。
(3) 良好的耐腐蚀性能：由于无序bcc 高熵合金中的元素种类繁多，晶体结构无序，这使得合金表面形成了一层保护膜，能够有效抵抗外部环境的腐蚀。
【3.无序bcc 高熵合金的应用】无序bcc 高熵合金在许多领域都有广泛的应用，包括：(1) 航空航天领域：由于无序bcc 高熵合金具有高热稳定性、高硬度和良好的耐腐蚀性能，因此可以应用于航空航天领域的高温部件，如涡轮叶片等。
(2) 军工领域：无序bcc 高熵合金的优异性能使其在军工领域具有广泛的应用前景，如用于制造高性能的装甲材料等。
(3) 核工业领域：无序bcc 高熵合金的高热稳定性使其在核工业领域具有潜在的应用价值，如用于制造核反应堆的热交换器等。
【4.无序bcc 高熵合金的发展前景】随着科学技术的进步，无序bcc 高熵合金在材料科学领域的研究越来越深入。
高熵合金简介
高熵合金的特点及其制备技术摘要：高熵合金是2004年由叶均蔚提出的一种新的合金设计方法，在过去的10多年里，被广泛的研究，取得了相当多的研究成果。
高熵合金由多种含量相近的主元混合而成，由于主元数增多，混合熵增加，混产生独特的高熵效应，并抑制金属间化合物和其他有序相的生成。
高熵合金的强化机制以固溶强化为主，部分高熵合金还存在第二相弥散强化。
高熵合金的制备方法主要是真空电弧熔炼，还有很多新的制备方法有待探究。
关键词：高熵合金高熵效应强化机制制备方法传统的合金都是基于一种或者两种金属为主体，通过添加其他合金元素来获得所需要的性能。
即使是大尺寸非晶材料，其设计理念也是以多种元素构成基体再添加其他合金元素。
在2004年的时候，叶均蔚提出了一种新的合金设计理念——多主元高熵合金，这种合金一般含有五种或五种以上的合金元素，且每种合金元素含量都在5%以上，没有任何一种元素占绝对多数[1][2]。
一、高熵效应按照传统的经验，合金元素在合金中的固溶量是有限的。
随着合金元素含量的增加，合金中出现复杂结构的金属间化合物及复杂相，这容易使合金的脆性增加。
但是在高熵合金中，尽管添加了如此多的合金元素，其晶体结构依然能够维持相对简单的FCC或BCC固溶体结构，同时还具有很多优于传统合金的独特性能，而这一切都得益于于高熵效应。
在高熵合金中，当元素数目较多而导致合金系统的混合熵高于形成金属间化合物的熵变时,高熵效应就会抑制金属间化合物的出现，而促使元素间的混合，最终形成体心立方结构（BCC）或面心立方结构（FCC）等较为简单的结构[1][2]。
根据玻尔兹曼熵的计算公式：S=klnΩ，熵值取决于体系的混乱程度。
当各种元素以等原子比混合时，其混合熵的计算公式：ΔS= Rln(n)，其混合熵ΔS值随元素种类数量的增加而增加。
当n=2时，ΔS=0.693R；当n=5时，ΔS=1.61R；当n=6时，ΔS= 1.79R。
当n大于5时，这一值已经和很多金属间化合物的形成焓与形成温度的比值（ΔH /T m）接近。
高熵合金资料
高熵合金的晶体结构与共性
高熵合金的晶体结构
• 通常为简单的晶体结构，如面心立方、体心立方等 • 与传统合金的晶体结构不同，具有独特的电子结构
高熵合金的共性
• 具有高的硬度、强度和耐磨性 • 具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性 • 具有优异的导热性能
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高熵合金的性能特点与优势
高熵合金的力学性能与强化机制
制备工艺
• 快速凝固法：提高合金的凝固速度，形成细晶组织 • 激光熔覆法：实现合金的局部熔化，提高涂层质量 • 真空熔炼法：提高合金的纯净度，减少杂质含量
优化
• 优化合金的成分设计，提高性能 • 优化制备工艺，提高合金的组织和性能 • 优化热处理工艺，提高合金的力学性能和耐腐蚀性能
高熵合金的室温脆性与断裂韧性研究
创新
• 开发新型的高熵合金材料 • 研究高熵合金的新型制备工艺 • 探索高熵合金的新型应用领域
高熵合金的性能优化与调控
性能优化
• 优化高熵合金的成分设计，提高性能 • 优化高熵合金的制备工艺，提高组织性能 • 优化高熵合金的热处理工艺，提高力学性能和耐腐蚀性能
调控
• 研究高熵合金的晶体结构调控，提高性能 • 研究高熵合金的相结构调控，提高性能 • 研究高熵合金的缺陷调控，提高断裂韧性和抗疲劳性能
典型实例
• Inconel 718高熵合金：用于制造航空发动机涡轮盘 • Rene 95高熵合金：用于制造航天器轴承
高熵合金在能源领域的应用
能源领域的应用
• 制造核电站燃料棒、核反应堆结构件等部件 • 制造太阳能电池板、热交换器等部件 • 制造火力发电厂锅炉管道、汽轮机叶片等部件
典型实例
• Hastelloy X高熵合金：用于制造核电站燃料棒 • Pyromet高熵合金：用于制造太阳能电池板
高熵合金新材料
高熵合金新材料
高熵合金新材料，也称为多主元合金或多元合金，是指由五个或更多原子组成的合金材料。
相比传统的合金材料，高熵合金具有更高的熵（混乱度）和更复杂的晶体结构。
由于其特殊的化学组成和晶体结构，高熵合金表现出许多优异的力学、热学和化学性能。
高熵合金的最突出特点之一是其高强度和韧性。
由于其组成元素的多样性和晶体结构的复杂性，高熵合金具有优异的抗拉强度和延展性。
这使得高熵合金成为一种理想的结构材料，可以用于制造高性能零件和部件。
此外，高熵合金还具有优秀的抗腐蚀性能和耐磨性。
由于其高熵的特性，高熵合金在材料表面形成了一层保护性的氧化膜，能够有效地防止氧化和腐蚀的发生。
同时，高熵合金的高硬度和耐磨性使其能够耐受高温、高压和严苛的工作环境。
除了这些优异的力学和化学性能，高熵合金还具有良好的耐热性和抗氧化性能。
由于其独特的晶体结构和化学组成，高熵合金可以在高温下保持其力学性能和结构稳定性，并具有良好的抗氧化性能。
总的来说，高熵合金作为一种新型材料，在航空航天、能源、汽车工业等领域具有广泛的应用前景。
它的优异性能和多样性可以满足不同工业领域对材料的高要求，并为材料科学领域带来新的挑战和机遇。
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△Smix = RIn n
△Gmix = △Hmix -T△Smix
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。
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。
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。 • A70lCμrmFe箔M片nN而i合没金有在任冷何轧裂时纹比和3硬04化不。锈钢好， 它可以连续冷轧成 • 这延种 伸H，E然合而金不具锈有钢非仅常具好有的1可54加3％工。性，可以达到至少4257％的冷轧
高熵合金薄膜简介及研究进展
——王春吉 172060035
目录
1.高熵合金简介 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：Al2.0CoCrCuFeNi
AlCoCrFex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，
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
FCC 5元素HE合金
BCC 5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。
•
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。
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。
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。
BCC
FCC
2.相数远远低于最大值
根据吉布斯相律有： F = C - P + 1 P=C+1
F ：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 .
为什么高熵效应可以简化微观结构？
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
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。