高熵合金材料9787513082549

前 言
探索新材料是人类永恒的目标之一。传统探索新材料的方法主要是改变和调制化学成分、调制结构及物相、调制结构缺陷。几十年来,人们发现通过调制材料的“序”或者“熵”,也能获得新材料,如非晶合金就是典型的通过快速凝固引入“结构无序”而获得的高性能合金材料。实际上,通过改变和调制“结构序”“化学序”都可以获得性能独特的新材料。高熵合金就是近年来采用多组元混合引入“化学无序”获得的新材料。所以,高熵合金实际上还有不同的名字,如多组元合金、多主元合金、成分复杂合金、高浓度复杂合金、多基元合金等。从波尔兹曼的“构型熵”公式不难发现,高熵合金或材料表现为更多的组元(组分)和更高的组元(组分)浓度。从热力学上看,高熵合金可以具有更低的吉布斯自由能,在某些情况下可能表现出更高的相和组织稳定性。从动力学上看,高熵合金或材料表现出缓慢和迟滞的特性,当然,材料的特性绝不是仅仅由“熵”决定的,热力学焓的作用也非常重要。近年来的研究发现,高熵合金在硬度、抗压强度、韧性、热稳定性等方面具有潜在的显著优于常规金属材料的特质,在耐高温合金、耐磨合金、耐腐蚀合金、耐辐照合金、耐低温合金、太阳能热能利用器件等方面有重要的应用前景。
高熵合金作为近年发展起来的新型合金材料,有望突破传统材料的性能极限,已经成为材料科学发展新的热点和方向之一。本书总结分析了大量国内外关于高熵合金的重要研究成果,详细介绍了高熵合金及其特性,高熵合金的制备方法,高熵合金热稳定性、耐腐蚀性和变形行为及强韧化理论,以及激光熔覆高熵合金在再制造领域的应用和目前高熵合金的前沿研究领域。本书由甘肃有色冶金职业技术学院吴学宏撰写,总共分为10章。第1章介绍高熵合金的发展背景及过程;第2章介绍高熵合金整体情况;第3章介绍高熵合金的一系列性能;第4章对高
熵合金的制备方法进行系统介绍,进而对高熵合金相关的制造业进行分析;第5章重点介绍熵对非晶合金形成及热稳定性的影响;第6章介绍高熵合金涂层对腐蚀性能的影响;第7章对高熵合金的变形行为及强韧化机理进行深入介绍;第8章主要介绍高熵合金在H13热轧辊再制造的工程应用;第9章重点介绍高熵合金在工程实际中其他方面的一些应用;第10章介绍了目前高熵合金一些前沿研究方向。全书内容具有很强的理论性、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,是适应高熵合金研究及其知识普及和应用的重要著作。
由于高熵合金是近些年金属材料领域研究的热点,涉及的学科多,发展快,加上作者水平和学识有限,在取材和论述方面存在不足之处,敬请广大读者批评指正。

高熵合金是近年发展起来的新型合金材料,有望突破传统材料的性能极限,已经成为材料科学发展新的热点和方向之一。本书综合介绍了高熵合金的发展背景及过程、性能、制备方法,重点介绍了熵对非晶合金形成及热稳定性的影响、高熵合金涂层对防腐蚀性能影响、高熵合金的变形行为及强韧化机理,最后简述了高熵合金在H13热轧辊修复中的工程应用,以及在工程实践方面的其他应用。

吴学宏，机械工程专业，硕士研究生，中共党员，副教授（破格），电工高级技师。主要从事数字智能制造和高熵合金方面的研究和教学工作。甘肃有色冶金职业技术学院科学技术协会副秘书长，《金昌职教研究》主编，甘肃有色冶金职业技术学院学术委员会委员，金昌市青年创新创业导师，中国机械工程学会机械设计工程师，Solidworks机械设计师，国家职业技能鉴定车工考评员。主持、参与省部级项目4项，厅局级项目5项，院级项目7项，横向课题1项。发表学术论文20余篇（其中SCI收录1篇，国际学术会议1篇，CSCD 2篇，中文核心期刊论文3篇），出版《电工学》《电工基础》《机械设计基础》等教材5部，主持“电工学”院级精品课1门，申请发明专利和实用新型专利12项,授权11项。

第1章 绪 论…………………………………………………………………… 1

1.1 高熵合金的发现…………………………………………………………… 1

1.2 高熵合金的发展…………………………………………………………… 4

1.3 高熵合金元素的使用…………………………………………………… 15

1.4 高熵合金的显微结构…………………………………………………… 18

第2章 高熵合金简介………………………………………………………… 22

2.1 高熵合金纤维…………………………………………………………… 24

2.2 高熵合金薄膜…………………………………………………………… 26

2.3 高熵合金涂层…………………………………………………………… 30

2.4 非晶合金柔性电子学…………………………………………………… 38

第3章 高熵合金的特性……………………………………………………… 44

3.1 高熵效应………………………………………………………………… 44

3.2 晶格畸变效应…………………………………………………………… 46

3.3 缓慢扩散效应…………………………………………………………… 46

3.4 “鸡尾酒”效应………………………………………………………… 48

3.5 高熵合金复合材料的性能……………………………………………… 48

3.6 浓度波对高熵合金强韧化的影响……………………………………… 50

3.7 冲击载荷对高熵合金性能的影响……………………………………… 53

第4章 高熵合金的制备及制造……………………………………………… 57

4.1 制备高熵合金元素选择原则…………………………………………… 57

4.2 高熵合金的制备方法…………………………………………………… 58

4.3 高熵合金复合材料的制备……………………………………………… 61

4.4 高熵合金制造业分析…………………………………………………… 64

4.5 高熵合金制造业发展面临的八个挑战………………………………… 64

4.6 四项可行性建议及相关注意事项……………………………………… 65

第5章 熵对非晶合金形成及热稳定性的影响…………………………… 70

5.1 熵对玻璃形成能力的影响……………………………………………… 70

5.2 熵对热稳定性和纳米晶化的影响……………………………………… 73

5.3 高熵非晶合金GFA 和热稳定性的关系………………………………… 78

第6章 高熵合金涂层腐蚀性能研究……………………………………… 82

6.1 高熵合金涂层的耐蚀机理……………………………………………… 82

6.2 高熵合金涂层的制备工艺……………………………………………… 84

6.3 合金元素对涂层耐蚀性的影响………………………………………… 86

6.4 工艺参数对涂层耐蚀性的影响………………………………………… 88

第7章 高熵合金的变形行为及强韧化…………………………………… 89

7.1 高熵合金的结构特征及变形机理研究的挑战………………………… 91

7.2 典型高熵合金的力学性能与变形行为………………………………… 93

7.3 高熵合金的强韧化……………………………………………………… 98

第8章 激光熔敷FeCoNiCrAl2Si对H13热轧辊的再制造………… 104

8.1 实验方法………………………………………………………………… 104

8.2 实验结果与分析………………………………………………………… 105

8.3 再制造后涂层性能分析………………………………………………… 109

第9章 高熵合金应用举例………………………………………………… 113

9.1 高熵陶瓷………………………………………………………………… 113

9.2 Ni-Cr-Si-Al-Ta高熵合金制备薄膜电阻……………………………… 147

9.3 轻质柔性高熵合金……………………………………………………… 155

9.4 医用高熵合金…………………………………………………………… 165

第10章 高熵合金前沿研究………………………………………………… 180

10.1 晶界析出相助力强度1597MPa、伸长率25.3%高熵合金………… 180

10.2 增材制造高熵合金的相变诱导强化研究…………………………… 181

10.3 高熵合金、中熵合金低周疲劳加载下的变形机理研究…………… 185

10.4 利用可塑性变形析出相提升高熵合金疲劳寿命…………………… 187

10.5 难熔高熵合金独特的弹塑性变形行为研究………………………… 193

10.6 激光熔覆Ni625/WC涂层的减振降噪和摩擦磨损性能研究……… 197

10.7 Fe40Mn40Co10Cr10 高熵合金在不同温度的位错结构及

塑性强化转变机制…………………………………………………… 204

10.8 超高强塑性的高熵合金研究………………………………………… 205

10.9 超弹性高熵Elinvar合金……………………………………………… 209

10.10 高熵合金纳米粒子增强带间跃迁用于有效光热转换……………… 215

参考文献…………………………………………………………………………… 217

高熵合金是近年来在探索大块非晶合金的基础上发现的一类无序合金,主要表现为化学无序。一般为无序固溶体,原子在占位上随机无序。高熵合金具有显微结构简单、不倾向于出现金属间化合物、具有纳米析出物与非晶质结构等特征。

当然,目前高熵合金已经发展到高熵非晶、高熵陶瓷和高熵薄膜。高熵合金的固溶体不同于传统的端际固溶体,即有一种元素为溶剂,其他元素则为溶质。对于高熵合金所形成的无序固溶体,很难区分哪种元素是溶剂,哪种元素是溶质,其成分一般位于相图的中心位置,具有较高的混合熵,通常称为高熵稳定固溶体。

由于高熵合金具有非常高的混合熵,常常倾向于形成FCC或BCC简单固溶体相,而不形成金属间化合物或者其他复杂有序相。独特的晶体结构使得多主元高熵合金呈现许多优异性能,如高强度、高室温韧性,以及优异的耐磨损、耐氧化、耐腐蚀和热稳定性。高熵合金独特的组织特征和性能,不仅在理论研究方面具有重大价值,而且在工业生产方面也有巨大的发展潜力。目前在某些领域,有一些高熵合金材料已经作为功能和结构材料使用。高熵合金材料的发现正好弥补了大块非晶合金的室温脆性和耐高温性能易受到晶化温度或玻璃化转变温度的影响等缺点,特别是高熵合金的耐高温性,高温相结构更稳定。由于飞机发动机等使用的高温合金和大块非晶材料中合金元素种类越来越多,含量越来越高,高熵合金的研究也有望对这些重要材料的发展提供很好的理论指导,因此高熵合金的概念一经提出就引起了人们广泛的关注。

高熵合金被认为是最近几十年来合金化理论的三大突破之一(另外两项分别是大块金属玻璃和橡胶金属)。高熵合金独特的合金设计理念和显著的高混合熵效应,使其形成的高熵固溶体合金在很多性能方面具有潜在的应用价值,有望用于耐热和耐磨涂层、模具内衬、磁性材料、硬质合金和高温合金等。目前关于高熵合金的应用性研究主要包括集成电路中的铜扩散阻挡层,四模式激光陀螺仪,氮化物、氧化物镀膜涂层,磁性材料和储氢材料等。总之,未来高熵合金的应用前景十分广阔,同时可以很好地弥补块体非晶合金应用中的室温脆性大和无法在高温下使用的不足。

……

适读人群 ：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,也可作为相关专业学生的教学参考书。

本书适用于高熵合金研究及其知识普及和应用。

本书综合介绍了高熵合金的发展背景及过程、性能、制备方法，重点介绍了熵对非晶合金形成及热稳定性的影响、高熵合金涂层对防腐蚀性能影响、高熵合金的变形行为及强韧化机理，最后简述了高熵合金在H13热轧辊修复中的工程应用，以及在工程实践方面的其他应用。