[发明专利]一种高熵合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高熵合金，特别涉及每一种成分的重量都小于50％的合金，本发明还涉及所述高熵合金的制备方法。

背景技术

高熵合金即含有多种主要元素的合金，合金元素数目n≥5。之所以称此类合金为“高熵合金”，是因为合金的熵值较高。如传统二元合金以一种元素为主，其混合熵小于0.69R(R为气体普适常数，其值为8.31J/mol K)，而当组元数为五元、六元、七元且等摩尔比例时，合金的混合熵分别为1.61R，1.79R和1.95R。如果考虑原子振动组态、电子组态、磁矩组态等的正贡献，系统的熵值还要更大。高熵合金的特点主要有：

(1)高熵合金倾向于形成简单相结构的BCC或FCC固溶体。根据吉布斯自由能公式:△G_mix＝△H_mix-T△S_mix式中T为热力学温度，H_mix为混合焓，S_mix为混合熵，G_mix为吉布斯自由能。由公式很容易看出混合焓和混合熵之间的关系是相互对立、相互制约的，合金自由能便是它们结合的产物。简单BCC和FCC结构固溶体的形成需要较低的自由能，而高熵合金的混合熵很高，这就使得合金的自由能极低，合金最终倾向于形成简单固溶体相。高熵合金形成固溶体的一般规律有：①至少由5种以上的主要元素组成，但一般不会超过13种；②组成高熵合金的每种元素的原子分数大约在5％～35％之间，没有一种元素能占50％以上；③组成高熵合金各元素原子的半径差小于12％；④合金的混合焓在-40～+10kJ/mol。

(2)高熵合金仅在铸态或在完全回火态下会析出纳米晶颗粒。这是因为高熵合金在熔炼时，各元素熔化后的原子混乱排列，凝固时这些原子很难进行扩散和再分配，这就有利于在合金基体内部形成纳米晶颗粒。

(3)高熵合金拥有极大的混乱度，特别是在高温下，其混乱度将会变得更大。根据合金自由能越低，则合金系统越趋于稳定的原则，高熵合金在高温下的稳定性依然极高，固溶强化依然存在，因此合金拥有极高的高温强度。研究表明，高熵合金在1000℃的高温下进行长时间的热处理后，硬度不降反升，与传统合金形成了鲜明的对比。

(4)高熵合金以简单BCC和FCC结构固溶体存在时，由于组成元素之间在原子半径、晶体结构等方面存在差异，高熵合金的固溶强化作用显著。

(5)高熵合金的主要组成元素至少5种以上，合金的晶格扭曲情况十分严重，因此合金的物理、化学性能以及机械性能也将会产生极大的变化。

(6)高熵合金中总有一些元素，如Al元素，会使合金产生致密氧化物，而高熵合金通常都具有纳米晶、非晶、单相、低自由焓的特性，因此高熵合金的耐腐蚀性能比传统合金更为优秀。

(7)高熵合金具有高强度、高硬度、耐高温性好、高耐磨性、优异的耐蚀性，另外在电学、磁学等方面都具有开发价值。

目前高熵合金的制备方法大多是采用真空电弧炉熔铸法，少数文献报道了采用电化学沉积和磁控溅射制备高熵合金薄膜的方法。

利用真空电弧炉熔铸法制备的高熵合金属于铸态产品，通常情况下，铸态下的高熵合金有着天然的性能缺陷，如热胀冷缩造成的空洞、疏松等，且该方法工艺相对复杂，所获得的高熵合金材料组织及性能难以控制。磁控溅射法制备的高熵合金薄膜厚度较薄，难以发挥高熵合金力学性能方面的优势，且对基底材料有一定的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的高熵合金制备方法制备铸态合金容易出现空洞、疏松的不足，提供一种制备方便性能良好的高熵合金及其制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种高熵合金，由铝(Al)、铬(Cr)、铁(Fe)、镍(Ni)、铜(Cu)、钼(Mo)组成，其中，各组分的摩尔比例为(1～1.1)：(1～1.05)：(1～1.05)：(1～1.05)：(1～1.05)：(1～1.05)。