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1、 本科生毕业论文（2014届）题目：难熔金属高熵合金的制备工艺和性 能研究 学 院： 物理电气信息学院 专 业： 物理学（师范） 年 级： 2010级 学 号： 12010245509 姓 名： 刘永强 指导教师： 汪燕青 完成日期： 2014年5月7日 摘要 近年来高熵合金成为材料科学领域的一个研究热点，它突破了以一种或者两种金属元素为主的传统合金的发展框架，发展出一种新的合金设计理念。高熵合金是采用五种或五种以上元素按照等摩尔比或近等摩尔比进行混合形成的合金。多主元的混合产生高熵效应，促进元素充分混合形成简单的体心立方或面心立方结构，有时还会形成少量的晶间化合物相，从而起到固溶强化和弥散强
2、化作用。因此很多高熵合金都具有较好的力学性能及耐腐蚀性能等多方面的性能，具有很大的应用潜力。 本文选用Al Cr Nb Ti V五种按照等摩尔比配制，利用非自耗电弧熔炼炉熔炼，并采用FEI Quanta 200 FEG与金相显微镜对铸态高熵合金进行组织形貌与相结构分析，然后又分别对合金的宏观及微观的硬度、压缩性能、耐磨性能及耐腐蚀性能进行测试。 关键词：高熵合金；组织结构；力学性能；耐腐蚀性 I ABSTRACT High entropy alloys with multi-principal elements is a novel concept for alloy design, whic
3、h breaks through the traditional alloy design frame work on the base of “one or two major alloy elements”, and became one of hot research topics in materials science and engineering. High entropy alloys are composed of five or more elements which have equal mole or near equal mole ratios. High entro
4、py effects in high entropy alloys arising from the mixture of multi-principal elements, promote the random solid solution with simple BCC or FCC structures and usually with a little intermetallics within the grains. These simple structures usually have relatively good mechanical properties and corro
5、sion resistance due to the solid solution and dissemination strengthening effects. As a result, high entropy alloys have great potential applications. The Al Cr Nb Ti V five according to molar ratio to prepare, by non consumable arc melting furnace, and using FEI Quanta 200 FEG and optical microscop
6、e for morphology of as cast high entropy alloy analysis and phase structure of alloy, and then the macro and micro hardness, compressive properties, abrasion resistance and corrosion resistance test.Keywords: High entropy alloys； Structure； Mechanical properties；Corrosion resistance II 目录第一章 绪论11.1
7、多主元合金的研究背景11.2多主元高熵合金的定义21.3高熵合金的应用前景31.3.1高熵合金发展趋势31.3.2 热障涂层31.3.3 硬质合金粘结金属4第二章 多主元高熵合金的性能特征52.1高强度与硬度52.2耐磨性62.3耐蚀性62.4多主元高熵合金的抗高温氧化能力62.5耐热性7第三章 高熵合金四大效应83.1高熵效应83.2晶格畸变效应83.3缓慢扩散效应93.4鸡尾酒效应9第四章 高熵合金的制备方法104.1 合金成分104.2合金的制备104.2.1多功能真空电弧炉工作原理104.2.2操作过程104.3线切割样品及打磨114.3.1电火花线切割机工作原理114.3.2将样品用
8、抛光机打磨光滑及工作原理114.4 微观组织分析114.4.1 金相分析114.4.2扫描电镜分析12第五章 结论135.1结论135.2论文不足之处13参考文献14致 谢15物理电气信息学院 本科毕业论文 第一章 绪论 1.1 多主元合金的研究背景 金属材料的发展对人类文明有着极大的影响，随着时代和科学技术进步发展,工业革命后，尤其是近百年来，人类所开发的合金系统有如雨后春笋，技术更是突飞猛进，造就了今天工业发达的局面。 整体而言，人类已开发使用的实用合金共有三十余种系统，每一系统皆以一种金属元素为主，通过添加不同的元素而产生不同的合金。例如铝合金以铝为主，加入微量的镁和稀土，可得容易挤压且
9、具有中等强度的铝门窗材料；若加入适量的锌、镁、铜元素，则成高强度铝合金，可用于飞机、太空船体结构；而钢铁材料以铁为主，加入碳得到碳钢，碳越多强度越高，当碳含量超过重量2时，就成为铸造性良好的铸铁；若另加入镍、铬、钼、钒等元素，可得性能不同的合金钢。上个世纪中叶发展起来的一些新材料，像是金属基复合材料、非晶合金，前者常见的为铝合金基底，后者有镁基、钯基等化合物。 现在使用的高性能合金大多是从上个世纪70年代开始发展起来的，当时很多人认为传统合金已经达到它们的性能极限。同时，为了满足对材料不断提升的要求，人们开发了不同的制造加工工艺，除了传统熔铸、锻造、焊接外，近年来出现很多新工艺，如快速凝固合金
10、、机械合金化、粉末冶金或是激光加工，通过采用不同的加工工艺可获得更为优越的性能，但其合金设计以及合金选择仍未脱离以一种元素为主的观念。 传统合金的发展经验认为，合金元素种类过多会导致很多化合物尤其是脆性金属间化合物的出现，从而导致合金性能的恶化，如变脆，此外，也给材料的组织和成分分析带来很大困难，因此认为合金中元素的种类越少越好。 那么，我们是否只能有这三十余种的合金系统呢?答案是否定的。大约在十年前台湾有学者率先跳出了这一框架，提出了新的合金设计理念，即“多主元高熵合金”1，它由五种以上金属元素组成，却只形成如体心立方晶格（BCC）和面心立方晶格（FCC）简单结构。含有多个组成元素，却没有形
11、成复杂的多相，这是多主元高熵合金的独特之处，这一现象与一直以来人们所持有的观点相违背，因此很有必要对其形成机理进行深入研究。而且，多主元合金拥有许多特性。已有的研究结果表明，它具有高硬度、耐高温软化、耐高温氧化、耐腐蚀等特性组合，并有纳米析出和形成非晶质的现象。 高熵合金是一个可合成、可分析、可控制的合金新世界，可以开发出大量的高技术材料，对于传统的钢铁产业无疑是“柳暗花明又一村”。可以采用传统的熔铸、锻造、粉末冶金、喷涂法及镀膜法等多种方法来制作块材、涂层或薄膜。高熵合金的研究具有前瞻性，具有学术研究及应用价值。就实用性而言，若无法找到功能合适的传统合金，高熵合金或许可以适用。目前对高熵合金
12、的研究尚处于基础研究的阶段，所得到的合金体系还十分有限，对其形成机理也还不明确。 1.2 多主元高熵合金的定义 高熵合金是1995年台湾学者叶均蔚提出的一个新的合金设计理念。与传统合金设计理念不同的是，高熵合金是由五个以上主要元素（简称为主元）构成的合金体系，且每个主元的原子百分比应介于5%到35%之间，而原子百分比小于5%的元素则称之为次要元素。 根据传统合金设计观念，合金中的组元数越多，形成金属间化合物的倾向也就越大。然而脆性金属间化合物的出现会恶化合金的性能，如变脆等，同时金属间化合物的晶体结构复杂，也不利于材料的组织和成分分析。因此传统合金都是以一种元素为主，添加少量次要元素改进其性质
13、。但是物极必返，叶均蔚指出，当主元数尽可能的增大后，所带来的高熵效应却可以化繁为简，令合金形成一个或多个简单的固溶相，不仅便于分析，而且具有巨大的应用价值。 之所以有这种现象发生，主要是混合熵超过一定临界后，固溶体的生成自由能小于金属间化合物的生成自由能的结果。根据Gibbs自由能表达式： （1-1）式中，、和分别为固溶体相的混合熵、混合焓和生成自由能。从公式中不难看出，越大，也就越正，固溶体相的生成自由能也就越负。在高温，也就是较大的情况下，固溶体的生成自由能比金属间化合物的自由能更负，就不会生成金属间化合物，而这种简单的晶体结构可以一直维持到低温。 利用固溶体的原子格座模型，可以很方便的推导出混合熵（或组态熵）的计算公式。如果合金中有种主元，每种主元的摩尔分数为时，混合熵为： （1-2）不难看出，合金中包含的主元越多，每种主元越接近等摩尔比，混合熵也就越大，因此也就越容易形成高熵合金。因此，目前的研究大多是为了获得高熵合金的普遍规律，往往以等摩尔比高熵合金为主。但为了获得更优异的合金性能，则必须研究和设计非等摩尔比高熵合金，找出其中的特殊规律。 近年来，随着高熵合金领域研究不断扩宽和发展，原有的高熵合金的设计原则已显得过于单薄。从原子格座模型理解高熵合金原理的视角，可以发现并非所有包含五种以上主元，每种主元原子含量介于5%-35%之间的合
