1.2高熵合金理论

1.2.1定义

一般定义为由五个以上的元素组元按照等原子比或接近于等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵，一般形成高熵固溶体相的一类合金[4]。

常规合金通常由一种化学成分超过50%的主要元素组成，在其中添加少量其他元素以获得所需的微观结构和性能。高熵合金的突破性在于其采用了五个或五个以上主要元素，每个元素浓度为5%到35%，。通常我们研究的常规合金为端际固溶体，即固溶体处于相图边角或端际。我们之前学习的材料理论较少涉及相图中间的部分，并且认为，相图中间一般形成有序的金属间化合物，较为复杂。在以前的研究环境中，吉布斯相律原理：

P=C=1-F （1-1）

C为合金组元数，F为热力学自由度，P为相的个数。这个公式告诉我们，组元越多，相的数量越多。然而高熵合金中，一般只有单相无序固溶体，没有金属间化合物等复杂的有序相。对于这种超出常规的情形，研究者提出了一种理论，这种单相的形成是由于很高的混合熵高于合金的融化熵，大大提高了合金的热力学稳定性，使得合金中难以出现金属间化合物。

1.2.2制备方法

高熵合金现在的制备方法大致有一下五种：真空熔炼，粉末冶金，机械合金化，激光熔覆，电化学沉积。

然而有一个现实我们需要面对，那就是到目前为止，我们还无法制备一块大块状的成分完全均匀的高熵合金。有一种理论提出这主要由于高熵合金中晶体并非完全的面心立方或体心立方结构，而是一种具有一定缺陷，晶格畸变较为严重的点阵结构。高熵合金的点阵的畸变使每一个地方的晶格常数不同，同时每个地方的不同方向的伯氏矢量不同，使得位错滑移的阻力变化，同时，极多的晶格畸变钉扎了位错等晶体缺陷，赋予了高熵合金很高的强度硬度等综合力学性能[5]。这也造成了晶体滑移困难，成分扩散缓慢，难以形成成分均匀的的合金块。

真空熔炼有两种方式，真空电弧熔炼和真空感应熔炼。真空电弧熔炼通过电极和坩埚中产生的电弧作为热源，熔化坩埚中的金属，融化后将其装入冷却器中，结晶成锭。同时真空电弧熔炼又通过电极的组成分为自耗和非自耗两种[6]，其区别在于自耗电极电弧熔炼的电极由需要熔炼的材料制成，在通电过程中，电极不断被电弧产生的高温熔化，从电极上滴下来，被收集到容器中，凝固成需要的形状。非自耗电弧熔炼的电极由难熔金属制成，需要被熔炼的金属置于坩埚的边际，融化后在坩埚中冷却。大多数实验室或企业采用的是自耗式电弧熔炼。这种方式的优点在于产生的热量高，可以用于熔炼各种耐热或难熔金属。同时，材料作为电极使其较少接触污染物，保证了熔炼出的材料的纯净。当然，在铸造中冷凝等过程容易使高熵合金的内应力偏大，成分偏析，产生空洞和缩孔等缺陷，这些问题使得高熵合金的应用受到了限制，只有不断改进熔炼和冷却的技术，解决冷却过程中产生的各种缺陷，才能有望推广生产出的高熵合金。

机械合金化是将金属粉末在常温下，将其放入研磨机中反复研磨，使其碰撞，产生冷焊，断裂，最终使其成分均匀化的先进加工方法。机械加工能得到成分均匀的高熵合金粉末。在这些粉末中，高熵合金组织中含有一定量的纳米晶和非晶颗粒。但其使用范围较为窄小，所能制备的高熵合金材料种类较少，制备的粉末还需要进一步粉末冶金才能制作成高熵合金块体，较为繁琐，加工程序多，因此在制备高熵合金的选择中，机械合金化并不在首选范围内。当然很多其他科研和生产中，机械合金化应用较为广泛，因其制作出的材料微观结构稳定，成分均匀，加工温度低等得到了很多研究者的青睐。