先进高熵合金技术

1 高熵合金是近年来材料科学发展新的热点和方向之一。

 

高熵合金是近年来发展起来的新型合金材料，有望突破传统材料的性能极限，已经成为近年来材料科学发展新的热点和方向之一。本书综合了大量作者多年在国内、国外发表的宝贵科研成果，共分为11章：第1章介绍高熵合金的发展过程；第2章介绍高熵非晶合金的一系列性能；第3章～第4章对高熵合金进行系统介绍，进而更好地预测其性能；第5章～第7章介绍高熵合金的设计理念、制备方法等；第8章对高熵合金性能进行深入介绍；第9章主要介绍高熵合金的相形成规律；第10章重点介绍高熵合金的抗辐照性能；第11章介绍其应用的新领域与新技术。

全书内容以作者深厚的理论知识和丰富的长期科研实践经验为基础，具有很强的理论性、科学性、系统性和实用性，视野独特，体系齐全，充分反映了该领域的前沿和关注的问题，是适应于高熵合金研究及其知识普及和应用的重要著作。本书可供广大新材料、非晶材料、材料科学等领域的科研人员、技术人员阅读或参考，也可作为相关专业大专师生的教学参考书或教材。

 

张勇，北京科技大学，教授，博导，现为北京科技大学教授，国家重点实验室教授；材料学博士生导师。国家863项目、国家自然科学基金面上项目、青年基金项目、*博士点基金、新教授基金等评审专家。兼任中国材料研究学会，金属间化合物与非晶合金分会理事，副秘书长，中国复合材料学会理事；《中国物理学报》和《Chinese Physics》特约审稿人。并担任了《中国有色金属学报》，《金属学报》，《中国科学》等期刊审稿人；外文期刊《Intermetallics》，《Materials Science and Engineering A》，《Journal of Non-Crystalline Solids》，《ElectroChemistry Communication》等期刊的审稿人。

第1章绪论／001

1.1材料的发展001

1.1.1材料的定义及其分类001

1.1.2金属材料的发展简史003

1.1.3高熵合金的发现003

1.2高熵合金的发展007

1.2.1高熵合金的历史背景007

1.2.2高熵合金的相关发展007

1.2.3高熵合金的研究成果009

1.3高熵合金的热力学基础010

1.4高熵合金及其定义013

1.5高熵合金的特性015

1.5.1高熵效应015

1.5.2晶格畸变效应016

1.5.3缓慢扩散效应018

1.5.4“鸡尾酒”效应018

1.5.5热稳定性020

1.6高熵合金的制备023

1.6.1块状高熵合金024

1.6.2薄膜高熵合金026

1.6.3丝状高熵合金027

1.6.4粉末高熵合金029

1.7高熵合金的研究热点030

1.8对高熵合金现存问题的阐述041

1.8.1高熵合金定义问题041

1.8.2相形成问题042

1.8.3缓慢扩散效应问题044

1.9高熵合金的未来研究方向045

1.9.1理论研究045

1.9.2应用方向047

1.10高熵合金与“材料基因组”计划048

参考文献050

第2章高熵非晶合金及相关材料／054

2.1非晶合金概述054

2.1.1非晶合金形成判据及体系分类054

2.1.2非晶合金热学性能和弛豫056

2.1.3非晶合金力学性能057

2.1.4非晶合金磁功能特性057

2.1.5非晶合金化学功能特性058

2.2高熵非晶合金概述和分类058

2.3高熵非晶合金的力学性能062

2.4高熵非晶合金的化学性能及生物相容性065

2.5高熵非晶合金的磁性能069

2.5.1高熵非晶合金的磁热性能069

2.5.2高熵非晶合金的软磁性能071

2.6小结与展望074

参考文献074

第3章高熵合金的概念／076

3.1高熵合金的定义076

3.1.1高熵合金的狭义定义076

3.1.2高熵合金的广义定义078

3.2高熵合金的表达方式079

3.3高熵合金的分类079

3.3.1按微观结构划分079

3.3.2按元素组成划分080

3.3.3按维度划分080

3.4典型的高熵合金结构模型080

3.4.1面心立方结构080

3.4.2体心立方结构080

3.4.3密排六方结构081

3.4.4非晶结构081

3.5高熵合金的四大效应081

3.5.1热力学上的高熵效应081

3.5.2结构上的晶格畸变效应083

3.5.3动力学上的迟滞扩散效应084

3.5.4性能上的“鸡尾酒”效应085

参考文献087

第4章性原理方法在高熵合金中的应用／089

4.1性原理方法的简要介绍089

4.2性原理方法在高熵合金中的应用090

4.2.1高熵合金可计算模型090

4.2.2高熵合金的电子密度091

4.2.3高熵合金的相稳定性094

4.2.4高熵合金热学量预测094

4.2.5高熵合金的力学性质094

4.2.6高熵合金层错能计算098

4.3高熵合金的晶格畸变101

4.4高熵合金的缓慢扩散102

参考文献104

第5章高熵合金的设计／106

5.1概述106

5.2多主元高熵固溶体合金的设计107

5.2.1多主元高熵固溶体合金设计依据理论107

5.2.2多主元高熵固溶体合金设计考虑因素109

5.2.3多主元高熵固溶体合金设计方法109

5.2.4多主元高熵固溶体合金的合金化理论111

5.2.5合金元素选择与合金系设计113

5.3高熵合金设计研究实例118

参考文献123

第6章高熵合金的制备方法／124

6.1高熵合金制备需要考虑的问题124

6.2熔铸法制备高熵合金124

6.2.1高熵合金熔铸方法124

6.2.2高熵合金液凝固技术方法124

6.2.3高熵合金真空电弧熔炼法124

6.2.4真空感应熔炼125

6.2.5定向凝固制备高熵合金单晶126

6.2.6真空熔体快淬法制备非晶高熵合金薄带126

6.3机械合金化法制备高熵合金128

6.4制备高熵合金薄膜129

6.5“高通量法”制备高熵合金131

6.6高熵合金复合材料的制备131

6.6.1原位自生合成反应制备薄膜131

6.6.2机械合金化法制备陶瓷高熵合金复合材料132

6.7高熵合金的热加工132

参考文献132

第7章高熵合金的组织特征／133

7.1高熵合金的凝固原理133

7.2高熵合金的组织134

7.2.1单相单晶组织134

7.2.2单相多晶组织135

7.2.3单相非晶组织138

7.2.4多相共晶组织139

7.2.5多相其他组织143

参考文献149

第8章高熵合金的性能特点／151

8.1力学性能151

8.1.1室温力学行为151

8.1.2高温力学性能152

8.1.3低温力学性能154

8.1.4疲劳性能155

8.1.5断裂韧性155

8.1.6锯齿流变行为156

8.1.7影响力学性能的因素157

8.2耐磨性能159

8.3抗氧化性能159

8.4抗腐蚀性能160

8.5物理性能161

8.5.1电学性能161

8.5.2磁学性能163

8.6抗辐照性能165

参考文献166

第9章高熵合金的相形成规律／169

9.1多主元合金的相平衡条件169

9.2多主元高熵合金的微观结构特征170

9.2.1高熵合金的相结构170

9.2.2高熵合金的组织172

9.3影响多主元高熵合金相稳定性的因素175

9.3.1混合熵175

9.3.2混合焓176

9.3.3原子尺寸176

9.3.4电负性差177

9.3.5价电子浓度177

9.3.6其他因素177

9.4多主元高熵合金的相形成规律177

9.4.1多主元固溶体形成准则178

9.4.2非晶形成能力判据185

参考文献186

第10章高熵合金的抗辐照性能／188

10.1引言188

10.2高熵合金抗辐照性能研究初衷188

10.3高熵合金的抗辐照性能190

10.3.1堆外离子辐照是高熵合金抗辐照性能研究的重要课题190

10.3.2高熵合金辐照行为研究概述192

10.4传统核结构材料199

10.4.1锆及锆合金199

10.4.2不锈钢及高镍合金200

10.5未来高熵合金抗辐照材料展望200

10.5.1纳米孪晶材料200

10.5.2SiC陶瓷202

10.5.3新型高熵合金复合材料展望203

参考文献204

第11章高熵合金的应用前景／206

11.1高熵合金应用研究206

11.1.1高性能高熵合金涂层206

11.1.2高温高熵合金210

11.1.3焊料或焊丝212

11.2高熵合金的发展趋势213

11.2.1抗辐照材料213

11.2.2选择性吸收涂层214

11.2.3低温结构材料215

11.2.4热电材料215

11.2.5超导材料216

11.2.6大磁熵材料216

11.2.7高熵软磁材料225

参考文献226

索引228

探索新型材料是人类文明发展进程中的永恒追求。传统研发新材料的办法是基于一种或两种主元或组分，通过添加少量的其他主元或组分，以达到优化材料性能的目的，满足人类的实际使用要求。近年来，人们开始从调节材料的“序参量”,有序或无序的程度，或者“熵参量”来研究和发展材料。“序参量”也分“结构序”和“化学序”参量。前者主要指空间结构上的序，后者主要指化学占位上的序。众所周知的例子,如非晶合金、有序金属间化合物高温材料、高熵合金等。

高熵合金是基于“化学无序”发展的新材料，主要提出了从熵的角度开发和研究合金材料，突破了过去合金材料基元的限制。到目前为止，高熵合金经历了三个主要阶段：,五元等原子比单相固溶体合金；第二,四元或五元非等原子比多相合金；第三,高熵薄膜或陶瓷。

个阶段主要是研究熵如何稳定化学无序的固溶体结构或结构无序的非晶结构，熵和焓如何协同作用影响合金相的形成，并提出各种预测高熵合金相形成的判据；高熵合金的强化机制，特别是固溶强化，因为高熵合金是典型的“浓固溶体”区别于传统合金“稀固溶体”；并总结出了高熵合金的五大特点,即高温稳定性好、低温高韧性、抗辐照肿胀率、缓慢扩散效应、晶界能和层错能低。

第二个阶段的研究是基于实际的工程应用，需要降低合金的成本，先报道了五元非等原子比双相合金，实现了孪晶增韧(TWIP)和相变增韧(TRIP)同步产生，导致其强度和室温塑形同步提高；具有良好铸造性能的共晶高熵合金；具有良好综合性能和高温性能的析出强化高熵合金等。

第三个阶段主要是以混合组分为基础，如几种碳化物或几种氮化物或氧化物，形成陶瓷的置换固溶体，预期得到更高的热稳定性或生物相容性。混合的办法可以是物理气相沉积(PVD)、磁控溅射(Sputter)、固相反应、烧结等。

本书将为读者提供关于高熵材料一个概括的总结，为对高熵合金感兴趣的读者提供一个引子，以便将来进行更深入、系统的研究。本书总共分为11章，具体分工如下：张勇负责全部的统筹安排和撰写，其中张蔚冉负责第1章撰写，王军强、赵昆、高选桥和霍军涛负责第2章撰写，左婷婷和张涛负责第3章、第7章、第11章撰写，田付阳负责第4章撰写，陈明彪负责第5章和第6章撰写，杨潇负责第8章和第9章撰写，夏松钦负责第10章撰写。在本书撰写中，张敏和李冬月在排版和校对方面做了细致的工作。编著者对此表示衷心的感谢和崇高的敬意！

由于高熵合金是近期研究的热点，涉及的学科多、发展快，加上编著者水平和学识有限，在取材和论述方面会存在不妥之处，敬请广大读者批评指正。

张勇

2018年3月