1。2 多主元高熵合金的定义

多主元高熵合金是由至少5个主要元素组成，而混合熵在这类合金中起着非常重要 的作用。熵是热力学上代表混乱度的一个参数，一个系统的混乱度愈大，熵就愈大。根 据Boltzmann 关于熵变与系统混乱度关系的假设，n 种等摩尔元素混合形成固熔体的熵 变（配位熵）：ΔSconf =Rln(n)，当n=2 、3 和5 时， ΔSconf  分别为0。 69R、1。 10R 和 1。 61R。如果考虑原子振动组态、电子组态、磁矩组态等的正贡献，系统的熵变还要大。 传统合金以1 种元素为主，其混合熵约小于每摩尔0。 693R。为了与传统合金有明显的区 别，且充分发挥多主元高乱度的影响，一般定义高熵合金的主要元素数目n ≥5。基于以 上估算，如果将合金世界以混合熵来区分，传统合金属于低熵合金的范畴，中熵合金则 介于高熵合金与低熵合金之间，这一类主要是指主元素的个数为2 ～ 4，如图1-1所示。 在新合金观念下设计的高熵合金系统无以计数，远超过传统合金，对于每一种合金 体系，可设计成简单的等摩尔比合金，也可设计成非相等的合金比例，当然也可以添加

次要元素来提高合金性能[2]。

图1-1 以熵划分的合金世界

1。3 高熵合金的特点

高熵合金具有以下一些特点：

（1）：高熵合金倾向于形成简单相结构的体心立方结构(BCC)或面心立方结构(F C C) 固溶体。根据吉布斯自由能公式所示：ΔGmix =ΔHmix -TΔSmix式中T为热力学温度，H 为混合焓，S 为混合熵，G 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， 合金最终倾向形成简单固溶体相。因此， 随机互溶状态下高熵合金较大的混合熵就会 大幅地扩展端际固溶体的溶解范围， 从而形成一个简单的多组元互溶相， 这种情况在 高温阶段尤为明显[3]。论文网

（2）高熵合金仅在铸态又或是完全回火态下就会析出纳米晶颗粒。纳米析出现象是 高熵合金的一个重要特性， 微结构的纳米化可改善许多机械、电化学及物理性能。当 高熵合金熔化时， 所含元素混乱排列成为液体， 凝固为固相后， 因涉及多元素的扩 散及再分配， 将阻碍析出物的形核及生长， 有利于形成纳米相。对于快速凝固或真空 镀膜， 高熵合金显示出非晶化的倾向。冷速的加快抑制了结晶相的形核。正是利用高 熵合金这方面的特性， 在中国台湾国科会的大力支持下， 目前中国台湾的国立清华大 学正联合工研院材料所、成功大学开展高熵合金大型纳米化和非晶化的研究计划。

（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。究表明，高熵合金在1 000℃的高温 下进行长时间(约12h)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会产生强效，导致位错在合金内部难以 进行，因此合金硬度和强度都较高；而当高熵合金以非晶结构存在时，更是不存在位错， 因此合金性能更强。

（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。