[发明专利]高乱度多元合金

说明书

本发明是有关一种高乱度(high-entropy)多元合金。特别是关于一种具有五种以上金属元素为主的多元合金。

传统合金系统，可以铁、铜、铝、镁、钛、锆、铅、铝、锌、金、银等元素为主要分类。习知的合金，皆是以单一元素为主要元素，其余为次要合金元素，例如以铁为主则为钢铁材料，以铝为主则为铝合金。而近年来虽有快速凝固合金、机械合金、金属基复合材料的发展，但其合金设计以及合金选择的理念，仍未脱离以一种元素为主的观念。换言之，传统上无论实验合金或商用合金都未脱离以某元素为单一主要元素的合金范畴。

有鉴于前述传统合金设计理念显然限制了合金成分的自由度，因而可能限制新型晶体结构及微观结构及新性能的发展，本发明乃提出新的设计观念及其合金范围以突破传统上的限制。

本发明的目的在于提供一种高乱度多元合金，其是一种具有五种以上金属元素为主的多元合金，具有硬度高和极高的耐温性以及极高的耐蚀性：

本发明的合金，是由复数种金属元素所熔铸或合成而成，基本上，本发明的合金组成非属单一主要元素合金，其合金含有五种至十一种的主要金属元素，每一种主要金属元素的莫耳数与该合金总莫耳数比是介于5％至30％之间。

本发明的合金所含有的主要金属元素，较佳是选自：铝、钛、钒、铬、铁、钴、镍、铜、锆、钼、钯及银等金属元素。

本发明的高乱度多元合金除了可以同时含有前述的数种主要金属元素外，亦可以添加其他次要元素，所称“次要元素”，是指其莫耳数占合金的总莫耳数不超过5％。次要元素可以为金属元素或非全属元素。金属添加物例如金、银、铂、钨、锡、锌及其他全属元素等等，非全属添加物例如碳、硼、硅、磷、硫及其他非金属元素等等。

本发明的高乱度多元合金，不会有任一元素的莫耳数超过合金总莫耳数的30％，故不会有单一主要元素而构成基地(matrix)的、现象，在熔融、凝固结构性质上显然迥异于传统合金。由于本合金在原子组态上产生高(？)、高乱度的现象，故本合金特称之为高乱度多元合金。

本发明的高乱度多元合金材料至少同时具有如下的特性：

1.极高的硬度：在凝固成固体后，依不同元素组成，其硬度由Hv600至Hv900变化，相当于碳钢及合金碳钢的完全淬火硬化或更高。

2.极高的耐温性：经1000℃热处理12小时，并炉冷之，几乎不发生回火软化现象。

3.极高的耐蚀性：利用高浓度硫酸、盐酸、硝酸浸泡，几乎不发生腐蚀现象。

本发明高乱度多元合金的制造，可以利用电热丝加热法、感应加热法、真空电弧熔炼法、快速凝固法、机械合金法及粉未合金法等来熔炼或合成合金，这些加热方法及技术皆为此项技艺人士所熟悉，于此不再一一赘述。兹以真空电弧熔炼为例说明，熔炼时，先将选好的金属元素材料，依其熔点高低由上而下置于熔炼炉的水冷铜模中，再盖上炉子的上盖，首先真空抽气，而后充入纯氩气，如此重覆抽气及充气操作后才开始熔炼。通电弧使完全熔解后，当其在铜模中凝固后，将之翻面再作电弧熔解，如此反覆数次直到确定所有的合金元素均已熔解并且混合均匀为止，才使其冷却形成合金铸锭或铸件，取出使用。

本发明的高乱度多元合金，是由复数种金属元素所熔铸或合成而成的合金，该合金含有至少五种以上的主要金属元素，每一种主要金属元素的莫耳数与该合金总莫耳数比是介于5％至30％之间。较佳者，该合金所含有的主要金属元素是介于五种至十一种之间。该主要全属元素可以选自：铝、钛、钒、铬、铁、钴、镍、铜、铬、钼、钯及银等金属元素。

本发明的高乱度多元合金之组成，除了前述的主要金属元素之外，亦可以添加其他次要的元素，所称“次要的元素”是指其莫耳数占合金的总莫耳数不超过5％。次要的元素可以为金属元素或非金属元素。

实施例一：

取铜、钛、钒、铁、镍、铬等六种金属元素相同的莫耳数，其总重量约100公克，将各组成元素依其熔点高低由上而下置于真空电弧熔炼炉的水冷铜模中，再盖上炉盖，首先真空抽气约五分钟，至0.01大气压后充入纯氩气至约0.2大气压，再重覆抽气及充气操作一次后才开始熔炼。熔炼电流为500安培，在每次熔解并凝固完后，皆将铜模中的合金翻面再供电弧熔解，如此反覆数次直到确定所有的合金元素均已熔解并且混合均匀为止，冷却后，合金铸锭外形为完整的圆盘状，直径约五公分，如表一中合金编号1。此外，再将部分合金铸锭放置于1000℃空气炉中热处理12小时，而后炉中冷却以得热处理状态，并测量其性质。

实施例二至二十：