论文总字数：16368字

摘 要

高熵合金作为近年来发展的一种新的合金设计理念，是一种简单固溶体结构合金，包含5种或5种以上的元素按照近等/近等原子比（5%-35%）合金化而成。它具有独特的力学和物理性能。相比于单相高熵合金，双相高熵合金的力学性能更加优异。因此，作为一种性能优良新型金属材料，双相高熵合金的强化机制引起了研究者的关注和兴趣。

本文采用高真空磁控溅射法制备出不同单层厚度的CoCrCuFeNi/NbMoTaW（FCC/BCC）双相高熵合金薄膜，采用X射线衍射和透射电子显微镜表征了样品的微结构特征，发现晶粒呈柱状晶形态生长，当层厚低于10nm临界厚度时，发生晶体到非晶体的转变。利用纳米压痕仪测试了双相高熵合金多层膜的硬度和模量，发现当h=20nm时，多层膜的硬度和模量均达到最低值，分别为9.4GPa和163.9GPa。在h=10nm时硬度和模量达到最大值，分别为11.0GPa和210.3GPa。强化机制主要是位错运动被内部柱状晶界和异质相界面所阻碍。

关键词：高熵合金；双相；磁控溅射；力学性能；尺度效应

Scale Effect on the Mechanical Properties of the Dual Phases High Entropy Alloys films

Abstract

High entropy alloys (HEAs) is a simple solid solution structure alloy, which contains 5 or more elements alloyed according to near equiatomic ratio (5% -35%). HEAs have excellent mechanical and physical properties. Compared with single phase HEAs, dual phase HEAs (DP-HEAs) have more excellent mechanical properties. Therefore, as a structural material with excellent performance, the strengthening mechanism of DP-HEAs has always been the focus of researchers.

In this paper, CoCrCuFeNi/NbMoTaW (FCC/BCC) DP-HEAS films with different single-layer thicknesses were prepared by vacuum magnetron sputtering. XRD and TEM were applied for microstructural characterization. It was found that the crystal grains grew in the form of columnar crystals. A crystalline-to-amorphous transition occurs when layer thickness is below the critical thickness. The hardness and modulus of the DP-HEAs multilayer films were tested by nanoindentation. It was found that when h=20nm, the hardness and modulus of the multilayer films reached the lowest values ​​of 9.4GPa and 163.9GPa, respectively. When h=10nm, the hardness and modulus of the multilayer films reached the maximum values ​​of 11.0GPa and 210.3GPa, respectively. The main strengthening mechanism is that dislocation movement is locked by both interior columnar grain boundaries and heterogeneous interfaces.

Key Words：High entropy alloys; Dual phases; Sputtering; Mechanical properties; Scale effect

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1高熵合金的概述 1

1.2高熵合金的特点 1

1.2.1热力学—高熵效应 1

1.2.2结构—晶格畸变效应 2

1.2.3动力学—迟滞扩散效应 2

1.2.4性能—鸡尾酒效应 2

1.3高熵合金的制备方法 3

1.3.1真空电弧熔炼技术 3

1.3.2磁控溅射技术 3

1.3.3机械合金化技术 3

1.3.4热喷涂技术 3

1.4双相高熵合金 3

1.4.1双相高熵合金的特点 4

1.4.2双相高熵合金的研究现状及发展 5

1.5磁控溅射镀膜技术 5

1.5.1磁控溅射技术原理 6

1.5.2磁控溅射技术特点 6

1.5.3磁控溅射技术的工艺参数 6

1.6本文研究的主要思路 7

1.6.1研究内容 7

1.6.2研究手段 7

第二章 实验材料及实验方法 8

2.1实验材料与样品制备 8

2.2晶体结构分析 9

2.3显微组织形貌分析 10

2.4纳米压痕硬度测试 11

第三章 实验结果分析及讨论 13

3.1 X射线衍射分析 13

3.2薄膜的微观结构 14

3.3力学性能 15

第四章 结论与展望 18

4.1结论 18

4.2展望 18

致谢 19

参考文献 20

第一章 引言

1.1高熵合金的概述

高熵合金是近几年备受研究者关注的一种新型金属材料，高熵的概念为开发具有独特性能的先进材料开辟了新的道路，而传统的仅以一两种主要元素为基础的微合金化方法难以实现。高熵合金是一种基于构型熵来设计的一种简单固溶体，通常由等或近等摩尔比的5种或更多金属或非金属元素组成。高熵合金具有独特的原子结构特征，因而与传统和金有许多不同之处。高熵合金从第一次被报道至今，在物理、化学、热力学等方面具有的独特性能优势正被不断开发出来。尤其它优异抗断裂能力、抗拉强度、抗腐蚀、耐磨等性能，可用于航空航天、锅炉用耐热元件材料等领域。高熵合金作为一项新的研究热点，为先进材料的研发提供了新思路，已经引起国内外很多研究者的关注和兴趣^[1-3]。图 1为五元高熵合金晶体结构示意图。

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