1、本科毕业论文（20 届）五组元高熵合金的熔炼工艺及力学性能研究所在学院专业班级 材料成型及控制工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 五组元高熵合金的熔炼工艺及力学性能研究 1设计意义及目标学生应通过本次毕业设计，了解高熵合金的概念、制造方法及工艺、性能特点及应用；了解金属材料熔炼的基本方法及工艺，了解金属材料组织和力学性能的检测方法，为学生在毕业后从事材料成型技术工作打好基础。2主要任务（1）查阅 20 篇以上的科技文献。（2）制定
2、五组元高熵合金熔炼的实验方案并完成实验。（3）完成五组元高熵合金力学性能检测。（4）通过实验结果分析五组元高熵合金的熔炼工艺参数及力学性能特点。（5）完成毕业设计的开题答辩、中期检查。（6）按照毕业论文的撰写要求完成毕业论文、参加答辩。3主要参考文献1郭卫凡.多主元高熵合金的研究进展J金属功能材料，2009，16（1）：49-53. 2高家诚，李锐.高熵合金研究的新进展J.功能材料，2008，39（7）：1059-1061. 3张力.高熵合金的制备及组织与性能D.吉林大学,2008:11-56. 4进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅文献，完成开题报告 12 月 1 日12 月 31
3、 日2 阅读相关文献，制定实验方案 1 月 1 日3 月 10 日3 完成五组元高熵合金的熔炼，完成中期检查 3 月 11 日4 月 30 日4 完成力学性能测定及实验结果分析 5 月 1 日5 月 15 日5 撰写毕业论文，准备答辩 5 月 16 日6 月 10 日审核人： 年 月 日五主元高熵合金的熔炼工艺及力学性能研究摘要：高熵合金是一种新型的材料，一般是由五种或五种以上的主要元素制备而成，每种元素的比例都在 5%35%之间，每一种元素在合金中都起到非常重要的作用，与传统的合金相比，具有良好的力学性能，比如高的耐磨性、高硬度、高强度等，这是合金的一个里程碑本文采用粉末冶金技术来制备 Ni
4、，Co，Cr，Fe，Al 五组元高熵合金，采用11111 和 10.50.510.5 两种比例制备，采用 CX-1400ZKL 真空烧结炉制备高熵合金试样，XJP-6A 型三口倒置金相显微观察高熵合金试样的金相组织，HTV-1000 维氏硬度计来测金相组织的硬度，主要研究五组元高熵合金熔炼工艺和力学性能关键字：高熵合金，熔炼工艺，力学性能，金相组织 The research of five constituent element high-entropy in smelt craft and mechanicsHigh entropy alloys is a new type of mater
5、ial.It is usually made of five or more than five kinds of primary element.And every element is occupied between 535,every element of them plays a very important role in the alloy.Compare with the tradition alloy,the high-entropy alloys have much better mechanical properties.Such as high abrasive res
6、istance ,high hardness,high strength and so on.The high entropy alloys is a milestone in alloys.In this paper.We use powder metallurgy technology to make the five constituent element high-entropy alloy,with Ni,Co,Cr,Fe and Ni,which proportion is 11111 and 10.50.510.5.We use CX-1400ZKL vacuum firing
7、furnace to make the high entropy alloy,use XJP-6A two eyes inversion metallographic microscope to watch metallographic structure,and use HTV-1000 webster sclerometer to measure the hardness.The smelt craft of high-entropy alloy and the mechanics of high-entropy alloy is the main research groups.Key
8、words: High-entropy alloys.Smelt craft.Mechanics.Metallographic structure. I目录1.前言 .61.1 高熵合金的发展 .61.2 高熵合金的定义 .71.3 高熵合金中“熵”的定义： .71.4 高熵合金的特性 .81.5 高熵合金的性能特点 .91.6 应用展望 .102 高熵合金的熔炼工艺 .112.1 真空熔炼法 .112.1.1 者空电弧炉的组成和工作原理 .112.1.2 真空电弧炉的操作规程及注意事项 .122.2 粉末冶金法 .122.3 机械合金化法 .132.4 激光熔覆法 .132.5 电化学沉积法
9、 .133 高熵合金烧结试样的制备 .153.1 配置高熵合金粉末 .153.2 粘结剂的配制 .163.3 高熵合金试样的制备 .174 五组元高熵合金的组织结构的研究 .224.1 金相实验 .224.2 五组元高熵合金试样金相的观察 .234.3 五组元高熵合金试样的密度分析 .255 高熵合金力学性能研究（硬度） .276 结论 .34参考文献 .35致谢 .3611 前言1.1 高熵合金的发展自古以来，人们通过对材料使用的状况，将人类的生活时代划分为几个不同的时代，分为石器时代、青铜时代、铁器时代，从这方面来看，金属材料对于人类的文明发展具有及其重要的影响。随着世界的发展和社会的进步
10、，航空、航天、电子、通信等现代化技术，和机械、化工能源等现代工业的发展，我们对于材料的要求变得原来越高，对其的性能提出来更多的要求，但是，对于传统的材料已经不能满足我们的使用要求，于是，人民充分发挥自己的智慧，使人类慢慢跨入了人工合成材料的新时代。在这些新合成材料中，金属材料从原来的纯金属发展成为合成金属。合金是由两种或两种以上的金属或非金属材料，经过熔炼、烧结、或是两种组合等方法合成具有金属特性的一种材料。到目前为止，人们已经开发使用了的合金系共有三十多种，其中大多数合金系统都是以一种金属为主，然后添加不同的合金元素从而产生不同的合金，例如，以铝元素为主要元素的铝合金，以钛元素为主要元素的钛
11、合金，以铁为主要元素的钢铁材料，到了二十世纪五十年代，开发出的二元基金属化合物也是以 1 或 2 种金属为主要元素，到了六十年代发展起来的非晶合金的合金，具有优良的力学性能，得到了广泛的应用，但是还是以 1 或 2 种金属材料为主要元素。回首那几十年，阻碍合金向多主元方向发展的主要原因有。一，受到传统观念的束缚，传统合金的发展经验告诉了我们，虽然我们可以通过添加不同的特定的量的金属元素来改变其性能，但是由于金属种类过多，这导致了化合物常常会出现脆性金属间化合物，这就导致了合金的性能向不好的一面发展，比如变得脆、力学性能变差等。二，由于多种主要元素，这给我们在分析材料的组织、成分的时候带来了极大
12、地困难，因为我们认为，在熔炼合金的时候，添加的合金元素越少越好。在二十世纪九十年代，我国台湾学者叶均蔚率先打破了传统合金的设计模式，提出来一种新型的合金设计理念，并且成功的制备出来多主元高熵合金，又称为高混乱度合金、多主元高功能合金等。高熵合金具有很高的学术研究价值和很大的工业发展潜力。由此，这一理念的提出，引起了国内外学者的普遍关注和积极的探索研究。2现今，人们对于高熵合金的合金化机理和其中所涉及的诸多科学原理问题基本上都没有那么深入的研究。但高熵合金的研究具有前瞻性、具有学术研究和很大的应用价值。并且由于应用潜力的多元化，和面对产业的多元化，传统的合金工业的升级以及高科技产业的发展也将为高
13、熵合金提供一片广阔的发展空间，这对传统的冶金行业的提升，整个产业链的升级具有非常重要的意义。到目前为止，高熵轻合金的制备还没展开研究，现在基本都集中在过度族金属研究上，特别是对第四周期过度族金属上。如果我们能够在研究以上理论知识的过程中，同时研究制备出新型轻合金，并对其出现的的共性的问题和特殊现象进行深入的研究，那么这不仅对于工作和学习具有重要的意义，同时对合金的设计理念，对整个高熵合金产业的发展与进步也是一个不可代替的重要的一步。1.2 高熵合金的定义多主元高熵合金是一种含有多种主要金属元素的合金，它的组元数目一般为13n5，其中，每种元素都可看做是溶质原子，且每个主元的含量都不低于，但也不
14、高于，因此其中的每种元素含量占的比例都不大于。与传统合金不同的是。多主元高熵合金是由多种元素集体领导从而表现其特色的一种特殊合金，起形成的金属固溶体具有的一般规律为：1）高熵合金至少又 5 种或 5 种以上的元素组成，但一般不会超过 13 种元素。2）组成高熵合金的每种元素的原子质量分数在 535，其中没有一种元素能占50以上。3）组成高熵合金的各个元素之间的原子半径差小于 124）合金的混合焓在-40+10kj/mol材料的状态和特性与热力学中的焓、熵和自由能有密切相关的联系，其中混合熵是高熵合金区别于传统合金的一个重要的热力学特性。1.3 高熵合金中“熵”的定义：熵是统计热力学中代表系统混
15、乱度的一个重要的参数，一个系的当中混乱度越大，熵的值也就越大。熵还是物质间发生反应的条件，当熵值增大时，物质间的反应自发进行，熵值增大到最大时，那么体系就达到了平衡，即熵值不变。一个物质3系统的熵包括：原子排列混合熵以及原子振动组态、电子组态、磁矩组态等所贡献的熵。其中无基元高混合上合金混合熵的计算十一原子排列的混合熵为主。熵一般可以表示为：式 1.1InWK =S在统计热力学中，熵和混乱度是相关系的，根据 boltzmann 关于上与系统复杂度之间的关系假设。N 中元素按照等原子比混合形成的固溶体时摩尔位形熵，S，可以由以下公式计算：式 1.2nRnnRKS l1l)l1l1l(lnw. 其
16、中 K 为 Boltzmann 常数，是混合复杂度，w 为气体常数：8.314J/(Kmol)。图一为等，摩尔合金的混合熵 S 与元素数 n 的关系曲线，从图中可以看出元素越多，混合熵越大 。图 1.1在统计热力学中。自由能 G 和焓从绝对温度，及熵 S 的关系为 ，而TSHG在一个固定的系统中，G 值越低则越稳定。这样，我们也可由此推断，正式由于多主元高熵合金的混合熵更大。所以更易于是系统趋于稳定，从而使整个系统更倾向于形成简单结构的固溶体甚至非晶体，这样就抑制了金属间的化合物的形成，促进了元素间形成了简单的晶体结构。这就是被我们称为的高熵效应。按照混合熵来分类4时，传统的一主元合金为低熵合
17、金，二到四主元合金为中熵合金，而五主元以上的合金称为高熵合金。1.4 高熵合金的特性目前，根据高熵合金性能和特点的研究我们可以总结出所谓的高熵合金 4 大效应。（1）热力学上的高熵效应：在之前已经介绍过熵是热力学上代表混乱度的一个参数，一个系统中混乱度越大，则熵越大。如下图所示，当合金是由两种元素等原子比混合时，他的合金熔体的混合熵为 0.69R，而当由五种元素等原子比混合时，他的合金熔体的混合熵就一家可以达到了 1.61R，而对于一般的金属合金而言，他的混合熵在1R 左右。这就可以看出，高熵合金的混合熵要明显高于传统金属合金。同时，我们也可以从图中看出，当形成合金的元素的种类在 13 种或
18、13 种一下是，混合熵是随着组元数增加而增加的，而当超过 13 中，他的增加幅度就趋于平缓了。图 1.2 混乱度与熵之间关系曲线图（2） 结构上的晶格畸变效应：高熵合金存在着及其严重的晶格畸变，而严重的晶格畸变必然会影响到材料的力学、热学和电学等一系列的性能。比如会产生高热阻，高电阻等效应。（3）动力学上的迟滞扩散效应：相变是取决于原子扩散，它需要组元之间的协同扩散，这样它才能达到不停相的平衡分离。而这种必要的协同扩散和阻碍原子运动的晶格畸变，都会限制高熵合金中的有效扩散速率。在高熵合金的制备过程中，冷却时的相分离在高温区间内通常是被抑制，所以会一直延迟到低温区。（4）性能上的“鸡尾酒”效应：
19、高熵合金的“鸡尾酒”效应是指其多种元素的本质特性和他们之间的相互作用是高熵合金呈现一中复杂的效应。这种“鸡尾酒”效应是以为印度科学家首先提出来的。举例来说，如果树勇较多的轻金属元素，合金的5密度将会减少，如果使用较多的抗氧化元素，如铝或硅，那么合金的高温抗氧化能力将会提高。综上所述，高熵合金的特点是，具有显微结构简单化，纳米析出物和非晶结构，纳米粒等组织特性和高硬度、高强度、耐磨、耐回火软化。耐腐蚀等。另外，高熵合金具有软磁性和高电阻率等物理性能。1.5 高熵合金的性能特点（1）强化机制高熵合金的主要强化机制为固溶强化，这是由于高熵合金一般会形成简单的结构的固溶体，而大量的不同种类的原子互相固
20、溶会导致严重的晶格畸变，从而产生了很强的固溶强化现象。而根据热处理的条件的不同，高熵合金在冷却或是退火的过程中，还可能生成一定量的金属间结构相、纳米想和非晶相等，这些第二想的结构尺寸很小并且弥散分布，这就导致了可能会产生第二相弥散强化的作用。（2）高强度和高硬度高熵合金具有高强度和高硬度的原因是，由于大量的固溶原子产生了晶格畸变，阻碍了位错的运动，这就使得了高熵合金具有很高的强度和硬度。比如在叶均蔚2004 年制备的 AlCrFeCoNiCu 高熵合金中，起硬度达到了 500Hv，同时抗拉强度高达1200MPa。（3）高耐磨性高熵合金的一系列强化效应时期具有了较好的耐磨性能，且由于合金元素的加
21、入还可以改变其磨损机制，例如，随着 Al 元素的增加，是分层磨损转为氧化磨损，使得摩擦系数降低，所以在磨具刀具中具有较多的应用。（4）高热稳定性高熵合金和给劲合金的一个最大的不同就是，高熵合金的热力学稳定性良好。同时，由于多种原子形成混乱的固溶体，扩散激活能很高，这就严重的阻碍了扩散的过程，因此在加热的过程中，高熵合金可以保持其结构的稳定性。例如，AlCrFeNiMoTi0.75Si0.25 高熵合金在 1000退火后依然保持原来的体心立方结构，没有新的晶相析出，硬度只是从 553HV 稍微降低至 408HV。（5）高耐腐蚀性高熵合金由于具有大量的 Cr、Co 等元素，具有了很强的耐蚀性，同时，高熵合
