一文讀懂高熵合金

高熵合金(High-Entropy Alloys)簡稱HEA，是由5種或5種以上主要元素構成的，且每種主要元素的原子分數＞5%並＜35%。由於高熵合金可能具有許多理想的性質，因此在材料科學及工程上相當受到重視。過往的概念中，若合金中加的金屬種類越多，會使其材質脆化，但高熵合金和以往的合金不同，有多種金屬卻不會脆化。

熵表示一個體系內的混亂程度，越混亂熵就越高，越有秩序熵就越低。根據熱力學第二定律，在自然界中，一切孤立的系統都會向熵增大的趨勢發展。

高熵合金其內部微觀結構混亂，原子排布隨機、無序。這種合金是通過對高溫液態金屬快速冷卻（快速淬火）實現的。當合金處於液態時，其內部的原子運動十分劇烈，排列也十分地隨機，如果此時緩慢地給合金降溫，使其凝固，原子會重新排列，相對整齊地排在一起，凝固成普通的合金。

雖然高熵合金組成元素較多，但是在凝固後往往能夠形成相對簡單的相結構。隨機互溶的固溶體是高熵合金典型的組織，包括FCC、BCC以及HCP結構。此外，非晶態相也會在合金中生成。

高熵合金的相結構

如果快速為液態合金快速降溫，其內部的原子還沒來得及重新排列就因為凝固，被固定在了各自的位置，其排列方式依然像液態時那樣隨機、無序，形成高熵合金。這個時候，合金就具備了低溫下塑性好，不容易因溫度過低而脆裂，高溫下強度高，依然具有較高的機械強度。

高熵效應是HEAs的標誌性概念。比較理想的形成熵與純金屬的焓（選定IM化合物的形成焓）可以得知，在具有5個或更多元素的近等摩爾合金中，其更有利於形成SS相而不是IM化合物。這時不考慮特殊組合，僅熵和焓的高低來分析常規的SS相和IM相。熵值也只考慮生成熵。雖然振動、電子和磁性也影響其熵值，但是最主要的因素仍然是合金的結構。

嚴重的晶格畸變是因為高熵相中的不同原子尺寸導致的。每個晶格位置的位移，取決於佔據該位置的原子和局部環境中的原子類型。這些畸變比傳統合金嚴重的多。這些變原子位置的不確定性導致合金的形成焓較高。雖然在物理上，這可以降低X射線衍射峰的強度，增加硬度，降低電導率，降低合金的溫度依賴性。但是，仍然缺少系統的實驗來定量描述這些性能的變化值是多少。例如，組成原子之間的剪切模量不匹配，也可能有助於硬化；局部鍵的變化也可能改變電導率、熱導率和相關的電子結構。

在HEAs中，擴散是緩慢的。這可以在納米晶和非晶合金的形成和其顯微結構中觀察到。

首次「雞尾酒」效應是S.Ranganathan教授使用的短語。最初的意圖是「一種愉快，愉快的混合物」。後來，它意味著一種協同混合物，最終結果是不可預測，且大於各部分的總和。這個短語描述了三種不同的合金類別：大塊金屬玻璃、超彈性和超塑性金屬以及HEAs。這些合金都是多主元素合金。「雞尾酒」效應表徵了無定形大塊金屬玻璃的結構和功能特性。

無論何種類型，熱機的效率隨著溫度的升高而增加。如核能、燃煤和燃油等發電行業中，工作溫度的升高可以降低燃料消耗、汙染和運行成本。在噴氣發動機工業中，工作溫度的增加可使性能改進，例如更重的有效載荷、更大的速度和更大的範圍的組合等。目前發動機主要部件材料的開發還是集中在Ni基高溫合金材料上，但由於其初始熔點大約在1300℃，鎳基高溫合金適用於溫度僅在1160~1277℃之間。因此，開發具有更優異高溫性能的發動機部件材料變得至關重要。試驗表明這兩種耐火HEAs在1600℃時的屈服強度超過400MPa，這遠高於Inconel 718 Ni 基高溫合金在1000℃的屈服強度（低於200MPa）。熱機的開發需要進一步改善發動機部件材料的高溫性能。與Ni基高溫合金相比，HEAs在高溫下具有更高的穩定性、更低的成本和密度、正的晶格失配，這表明這些合金由於具有吸引人的高溫機械性能，有可能取代Ni基高溫合金作為下一代高溫材料。

來源：材易通

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