高熵合金概述ppt课件
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。
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高熵合金的特性
.6Βιβλιοθήκη 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，
这种迷思终于被清华大学材料工程
系的叶均蔚教授所推翻，在2004年首先发
表混合5、6种以上等比例金属，由实验证
明可得到性能优秀的合金，自此开创了全
新的材料研究及应用领域。
此翻转传统合金概念的高熵合金也
因而受到最高点数的期刊注意，在5月19日
出版的自然(Nature)期刊作了专题报导「多
元金属合成的更强更韧更延合金」，认可
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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7
03
高熵合金的应用
.
8
应用
0123 .
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
.
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04
高熵合金的发展前景
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前景展望
高熵合金的研究还是一块处女地，无
论理论研究和实验研究结果都非常少。人们
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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
0123 .
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
高熵合金是傳統合金之外的另一個合金世界，傳統合金幾乎都以一個元素為主，而高熵合金則是由多個主元素所構成，具有較高的熵，這是一個處女地，不但範圍遼闊，多采多姿，而且可以讓我們發掘新材料、新現象、新理論、新功能，並擴展新應用。
傳統合金的合金概念自古以來，金屬材料的發展對人類文明有著極大的影響，人類由石器時代進入銅器時代再進入鐵器時代，幾千年來一直把金銀銅鐵錫等五金當作飾品、器具、工具、武器的主體材料。
工業革命後，尤其是近百年來，人類所開發的合金系統有如雨後春筍，技術更是突飛猛進，不但造就了今天工商發達的局面，並使我們的生活水準大幅提升。
例如鋁金屬一直到一八五五年才由法國人還原獲得，而鋁合金則在十九世紀末才開始發展。
人類利用它輕量化、高反光、耐大氣腐蝕及高導電率等特性，大量應用在交通工具、運動器材、建築門窗、欄杆、電纜線、易開罐等上面，年用量從一九六○年代即超越銅成為僅次於鋼的金屬材料。
至於超合金在一九三○年代開始發展，不但使飛機噴射引擎得以實現，推進力及效能更不斷提高。
若缺乏這些金屬的開發，我們可能還停留在農業社會，無法向前邁進。
整體而言，人類已開發使用的實用合金共有三十餘種系統，每一系統皆以一種金屬元素為主，隨著添加不同的元素而產生不同的合金。
例如鋁合金以鋁為主，加入微量的鎂及矽，可得容易擠型且具有中等強度的鋁門窗材料；若加入適量的鋅、鎂、銅元素，則成高強度鋁合金，可用於飛機、太空船結構體；而鋼鐵材料以鐵為主，加入碳得到碳鋼，碳越多強度越高，當碳含量超過重量百分比 2％時，就成為鑄造性良好的鑄鐵；另若加入鎳、鉻、鉬、釩等元素，可得性能不同的合金鋼。
到現在為止，傳統合金的配方仍不脫離以「一個金屬元素為主」的觀念，人類依此觀念配製不同合金，施以不同的製造加工程序，得到不同的材質，進而應用到不同的地方，都是在這個框架下運轉及收成。
高熵合金的出現我們不禁要問，上帝是否只給我們三十餘種有用的合金系統呢？答案是否定的，研究人員發現我們擁有更多未開發的處女地，七年前有些學者率先跳出了傳統合金的框框，提出新的合金設計理念，即「多元高熵合金」，並進行研究而累積了不少成果，證實這個處女地不但是一個可合成、可加工、可分析、可應用的新合金世界，也是一個具有學術研究及工業發展潛力的豐富寶藏。
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。
(完整ppt)高熵合金
➢ The diffusion coefficient of Ni is the smallest among that of all
constituents
Tsai et al. Acta Mater 2013; 61:4887
Features of HEAs——high phase stability
FeCoNiCrMn高熵合金的组织稳定性 及变形行为
吕昭平 教授
北京科技大学 新金属材料国家重点实验室
Acknowledgements
➢ Students: W. H. Liu, S. Y. Li, H. L. Huang and Z. F. Lei
➢ Collaborators: H. Wang, Y. Wu, and X. J. Liu ➢ National science foundation of China (Nos.
➢With the decrease of testing temperature, both tensile
strength and ductility are increased;
➢The fracture toughness kept almost unchanged;
Promising high-temperature mechanical properties of bcc HEAs
Extremely high toughness of a typical fcc HEA
Bernd Gludovatz et al. Science 2014,345:1153
➢The fracture toughness of
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
02
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
高熵合金的概念及其特点
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。
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
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M 管理及其他 anagement and other
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
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。
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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
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
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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
6ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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铝含量对相变的影响（AlxCoCrCuFeNi）：
FCC 至 BCC
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二①.高.固溶熵强合化机金理的强化机理
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。
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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。
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％。
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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。
高熵合金薄膜简介及研究进展
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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
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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）。
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。
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鸡尾酒效应