CN1353204B - 高熵多元合金 - Google Patents

Abstract

一种高熵多元合金，其是由复数种金属元素所熔铸或合成而成的合金，其特征在于合金含有五种至十一种的主要金属元素，每一种主要金属的摩尔数与合金总摩尔数比是介于5％至30％之间。本发明的高熵多元合金具有高硬度、高耐热性与高耐酸性。

Description

高熵多元合金

技术领域

本发明是有关一种高熵(high-entropy)多元合金。特别是关于一种具有五种以上金属元素为主的多元合金。

背景技术

传统合金系统，可以铁、铜、铝、镁、钛、锆、铅、铝、锌、金、银等元素为主要分类。习知的合金，皆是以单一元素为主要元素，其余为次要合金元素，例如以铁为主则为钢铁材料，以铝为主则为铝合金。而近年来虽有快速凝固合金、机械合金、金属基复合材料的发展，但其合金设计以及合金选择的理念，仍未脱离以一种元素为主的观念。换言之，传统上无论实验合金或商用合金都未脱离以某元素为单一主要元素的合金范畴。

有鉴于前述传统合金设计理念显然限制了合金成分的自由度，因而可能限制新型晶体结构及微观结构及新性能的发展，本发明乃提出新的设计观念及其合金范围以突破传统上的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高熵多元合金或高乱度多元合金，其是一种具有五种以上金属元素为主的多元合金，具有硬度高和极高的耐温性以及极高的耐蚀性：

本发明一种高熵多元合金，其是由复数种金属元素所熔铸或合成而成的合金，其特征在于：

该合金含有五种至十一种的主要金属元素，每一种主要金属元素的摩尔数与该合金总摩尔数比是介于5％至30％之间，其中该主要金属元素是选自：铝、钛、钒、铬、铁、钴、镍、铜、锆、钼及钯。

其中再添加次要元素硼，但其摩尔数须小于该合金总摩尔数的5％。

本发明的高熵多元合金材料至少同时具有如下的特性：

1.极高的硬度：在凝固成固体后，依不同元素组成，其硬度由Hv

600至Hv 900变化，相当于碳钢及合金碳钢的完全淬火硬化或更高。

2.极高的耐温性：经1000℃热处理12小时，并炉冷之，几乎不发生回火软化现象。

3.极高的耐蚀性：利用高浓度硫酸、盐酸、硝酸浸泡，几乎不发生腐蚀现象。

具体实施方式

本发明高熵多元合金的制造，可以利用电热丝加热法、感应加热法、真空电弧熔炼法、快速凝固法、机械合金法及粉未合金法等来熔炼或合成合金，这些加热方法及技术皆为此项技艺人士所熟悉，于此不再一一赘述。兹以真空电弧熔炼为例说明，熔炼时，先将选好的金属元素材料，依其熔点高低由上而下置于熔炼炉的水冷铜模中，再盖上炉子的上盖，首先真空抽气，而后充入纯氩气，如此重覆抽气及充气操作后才开始熔炼。通电弧使完全熔解后，当其在铜模中凝固后，将之翻面再作电弧熔解，如此反覆数次直到确定所有的合金元素均已熔解并且混合均匀为止，才使其冷却形成合金铸锭或铸件，取出使用。

本发明的高熵多元合金，是由复数种金属元素所熔铸或合成而成的合金，该合金含有至少五种以上的主要金属元素，每一种主要金属元素的摩尔数与该合金总摩尔数比是介于5％至30％之间。较佳者，该合金所含有的主要金属元素是介于五种至十一种之间。该主要全属元素可以选自：铝、钛、钒、铬、铁、钴、镍、铜、铬、钼、钯及银等金属元素。

本发明的高熵多元合金之组成，除了前述的主要金属元素之外，亦可以添加其他次要的元素，所称“次要的元素”是指其摩尔数占合金的总摩尔数不超过5％。次要的元素可以为金属元素或非金属元素。

实施例一：

取铜、钛、钒、铁、镍、铬等六种金属元素相同的摩尔数，其总重量约100公克，将各组成元素依其熔点高低由上而下置于真空电弧熔炼炉的水冷铜模中，再盖上炉盖，首先真空抽气约五分钟，至0.01大气压后充入纯氩气至约0.2大气压，再重覆抽气及充气操作一次后才开始熔炼。熔炼电流为500安培，在每次熔解并凝固完后，皆将铜模中的合金翻面再供电弧熔解，如此反覆数次直到确定所有的合金元素均已熔解并且混合均匀为止，冷却后，合金铸锭外形为完整的圆盘状，直径约五公分，如表一中合金编号1。此外，再将部分合金铸锭放置于1000℃空气炉中热处理12小时，而后炉中冷却以得热处理状态，并测量其性质。

实施例二至二十：

重覆实施例一的制造步骤，但将组成元素分别改变为如表一中合金编号2至20所示的组成元素。实施例二至二十所得的合金铸锭，分别如表一中合金编号2至20。

表一：多元合金的组成元素与硬度值

利用维式硬度试验机(Vickers hardness tester)，量测合金编号1至2

0所有试片的硬度值，量测前，试片的表面依序以#120、#2

40、#400、#600的碳化硅砂纸研磨整平后再以硬度机量测。量测时所加负荷为5kgf，负荷时间为10秒。每个试片均量测七个不同位置的硬度值，以中间五个平均值平均作为此试片的硬度其结果如表一所示。

请参阅表一中合金编号1至20，分别列出铸造状态及热处理状能的硬度值，可看出合金硬度随元素个数及种类而有所差异。一般而言，元素个数较多，硬度较高；加硼可提高硬度；热处理使少数合金的硬度些微下降外，其余不降或反而上升。表中硬度值的变化范围由H v590至890，若与碳钢及合金碳钢硬度比较，此硬度范围相当于0.35％碳含量至1.0％碳含量的碳钢及合金碳钢完全淬火硬化的硬度范围。再者石英的硬度约H v 700，亦落于此硬度范围中，可见本发明的多元合金具有极高的硬度。尤有进者，碳钢或合金钢在淬火硬化后，皆会在高温呈现回火软化的现象，合金工具钢一般不能使用超过550℃的温度，否则会急速软化，变形断裂。而本发明的高熵合金则在1000℃几乎不呈现回火软化现象，显示其极优越的耐温性。

将本发明的多元合金截裁，秤取重量约2公克的粒块，分别浸泡在体积500毫升浓度为1M及0.0I M的盐酸、硫酸、及硝酸水溶液中24小时，观察各多元合金试片与不同酸液的反应程度以及重量损失，比较不同成分对于各种常用酸液的抵抗能力。其结果如表二。

表二：多元合金对于各种常用酸液的抵抗能力

注：×表示完全不反应，溶液颜色不改变，试片重量无改变。

△表示反应缓慢，溶液颜色稍有改变，试片重量几无改变。

表二显示出本发明的高熵多元合金，不做任何表面处理即具有极高的耐酸蚀性。相对地，碳钢或合金碳钢不具此一耐蚀性。

实施例二十一至二十四

重复实施例一的制造步骤，但组成元素及原子摩尔比组成如表三所示，所得铸锭另切取约2.5公克，置入电弧熔炼炉中再熔解，并利用石墨块撞击已熔融的液体而获得约200μm厚的薄片(其快速冷却速率是介于103至104k/sec之间)，而后量测其性质，其硬度值如表四所示，可以看出在摩尔比偏离等比例的情况下，以快速凝固法仍可获得极高的硬度，其中实施例二十二的合金硬度更高达H v 1049。

表三多元合金的组成元素及原子摩尔百分比

表四多元合金的硬度值

合金编号21	合金编号22	合金编号23	合金编号24
				Hv571	Hv1049	Hv760	Hv666

综上所述，可知本发明的“高熵多元合金”不但能在铸造状态下得到如碳钢及合金碳钢淬火完全硬化的硬度水准或更高，而且在长时间高温(高达1000℃)热处理下，硬度不致软化而呈现优越的回火软化抵抗性，为碳钢及合金碳钢(仅高达550℃)所不及，同时它们皆具有优越的耐蚀性，亦为碳钢或合金碳钢所不及。更有进者，此些特性显然没有一种传统习知合金组成能在熔铸后同时具备。它们将因而有特殊的用途，例如可利用精密铸造法直接制成净近形的低温或高温用刀具模具及结构件，而不须热处理，降低加工成本同时可使用至1000℃而不虞被回火软化；又例如可将此类合金利用电浆或火焰喷涂法喷覆于结构工件表面，而提供耐磨、耐温、耐蚀的用途。因此本发明所揭露的“高熵多元合金”不但具有新颖性、进步性，而且可供产业利用性，与发明要件相符。惟，以上所述者，仅为本发明的实施例而已，凡依据本发明的各种修饰与变化，仍应包含于本申请专利的范围内。

Claims (2)

1.一种作为结构体用途的高熵多元合金，其是由多种金属元素所熔铸或合成而成的合金，其特征在于：

该合金所含的各元素皆不超过总摩尔数的30％，且该合金由五种至十一种的主要金属元素所构成，每一种主要金属元素的摩尔数与该合金总摩尔数比是介于5％至30％之间，其中该主要金属元素是选自：铝、钛、钒、铬、铁、钴、镍、铜、锆、钼及钯。

2.根据权利要求1所述的高熵多元合金，其特征在于，其中再添加次要元素硼，但其摩尔数须小于该合金总摩尔数的5％。