本研究係探討熱處理對高熵合金鑄件及銲件機械性質與顯微組織之影 響，作為未來實務應用之參考，主要研究項目如下：
1. 高熵合金鑄件及銲件之熱處理參數研究。
2. 鋁含量對 FeCoNiCrCuAlxC0.1高熵合金機械性質及組織的影響。
3. FeCoNiCrCuAlxC0.1高熵合金銲件機械性質與微觀組織之關係探討。
4. 熱處理對高熵合金鑄件及銲件機械性質與微觀組織之影響。
二、文獻回顧
amorphous materials），在美國、加拿大、法國受到相當大的重視，已有幾所 著名大學與國家級實驗室，從事此大尺寸非晶質材料的探討［3-7］。其觀念 配製成 5、6、7、8、9、10、11、12、13 元素的等莫耳合金，即可產生 7099種合金。以此為基礎合金，增減成份比例，就可以衍生出 7099 個合金系統。
反觀常見的傳統合金系統，卻僅約 30 種而已。
目前傳統合金的發展已趨於飽和，大部分都已有探討文獻可供參考，
很難再創造新的合金系統或在舊的合金系統中創造新功能合金。欲突破此 一瓶頸，唯有顛覆傳統的合金觀念。高熵合金此一突破性「多主元素」合 金觀念，並且確立此類合金領域是一個可合成、可製程、可分析、可掌控 的領域，具有許多學術及應用價值。就實用性而言，若無法找到功能合適 的傳統合金，那麼高熵合金領域就成為解決問題的的機會［3］。
2.2 高熵合金的定義
所謂高熵合金，就是 n 個主要合金元素的 n 元合金，特別是指五元以 上的合金，例如等莫耳比合金（各組成元素之莫耳數相等）即是極端的代 表。若以七元等莫耳合金為例，任取 13 種元素配置，共可產生 1716 組合，
合金數量之多可見一斑。
高熵合金的自由度大，可選擇的合金元素很多種，其中有輕元素、較 重元素、重元素；有低熔點元素、中熔點元素、高熔點元素；有小原子半 徑元素、中原子半徑元素、大原子半徑元素；有強化合元素、弱化合元素 等之差異。利用這些元素不但可配成同類或異類不同元素、不同特性的高 熵合金，更可額外再添加微量元素（包括類金屬元素）以改質合金［15］。
2.3 高熵合金的特點
就材料科學工程的觀點，高熵合金有其特殊之處，簡述如下：
(1) 就結晶構造而言：由目前的研究顯示［15-18］，高熵合金可以形成單一 相的 BCC 或 FCC 結構，這顯示在沒有主元素的情形下，各種元素會互 相固溶成單一結構，這種固溶結構值得深入研究。
(2) 就擴散速率而言：由於熔融時是混亂排列，若凝固要分相，因需多種 元素配合擴散，故新相（new phase）較難成核成長，此不但有助於柰 米級微細相的形成，更有助於非晶質之形成，尤其是在製造塊狀非晶 質合金（bulk amorphous materials）方面。
(3) 就熱力學而言：若以 8 種元素形成等莫耳比固溶體相（solid solution）， 計算其每莫耳的 configurational entropy change，得ΔS 如下：
ΔS =－k ㏑ w =－RΣXi㏑ Xi i = 1~8 , Xi =1/8 = R ㏑ 8 = 3 R ㏑ 2 ≒ 2.08 R
此一數值甚大，根據 Richards rule，金屬由固態變成液態，其變化 ΔSf =ΔHf / Tm= R，也只有此值之一半。可見高熵合金之亂度是降低自 由能的重大因素。相對於純元素相而言，因其自由能很低，亦有助於 形成高熵的固溶體相。至於 strain energy 造成的ΔHs對ΔH 有甚大的貢 獻，此時即有助於液態相或非晶質相之安定性，因為液態相或非晶質 相對 strain 有鬆弛的效果，不會因此造成自由能的上升。
一般觀念中，非晶質相不是安定相，但在此合金研究中已發現非晶 質可以是安定相，例如傳統鑄造條件下即可形成，以及經 1000℃12 小 時退火後爐冷亦仍保留非晶質相，此項發現已修正非晶質相不安定的 傳統觀念［19］。
(4) 就強化機構而言：多元高熵合金若為結晶性，其固溶強化（solution strengthening）效應極佳，差排運動困難（因為所有原子都成了 solute，
對差排皆能造成阻擋作用），強度極高；若為非晶質，則因無差排存在 以利滑動變形，或有 shear band 形成，強度更高。先期的研究已證明
［17］，有些高熵合金的硬度可達 Hv1000 以上（高於石英的硬度 Hv700）。
(5) 就耐溫而言：由於高熵合金亂度大，加以高溫下亂度因素更形重要，
高熵合金無論是結晶或非晶質固溶體都會更安定，仍藉由固溶強化或 非晶質效應，可獲致極高的高溫強度。先期的研究證明［16］，高熵合 金在 1000℃12 小時退火後爐冷，其不具回火軟化現象（目前工業上使 用的合金鋼在超過 550℃時即會回火軟化）。
(6) 就電化學而言；多元高熵合金中某些元素如 Al、Ti、Cr、Ni 等易形成 緻密氧化膜以及此合金具有非晶質、微晶、低自由能等因素，皆有助 於產生極佳耐蝕性。
(7) 就應用而言：有潛力的應用將包括 near net shape 成形製程（可省下機
械加工、熱處理及表面處理的費用），製成高硬度耐磨耐溫耐蝕工具、
模具、刀具、機件、爐件，以及利用噴鍍（spray coating）或濺鍍（sputtering coating），製作各種構件之硬面等。至於其它特殊的性質，尚包括電化 學、導電、導磁、熱膨脹、熱傳導及吸氫等，將可能有諸多領域的應 用：變壓器、馬達之磁心、磁屏蔽、磁頭、磁碟以及喇叭等。化學工 廠、船鑑之耐蝕高強度材料。超合金、銲接材料、高溫爐以及焚化爐 之材料。精密量測之高強度低膨脹材料、電阻、熱電偶元件、儲氫材 料。
2.4 合金元素對高熵合金性質的影響
［15-19］(1) 合金的硬度與所含元素種類有關。含 Cu 多元合金硬度最低，含 Al 及含 Mo 多元合金則硬度較高。硬度的提昇可歸因於高度的固溶強化效應、
鍵結增強效應、微晶強化及非晶質無差排的綜合表現。含 Al 多元合金 硬度高，是因為 Al 能增強鍵結及高晶格應變。含 Mo 比含 Cu 多元合金 硬度高［16］。
(2) 多元合金的硬度隨元素個數增加而增加，合金元素越多，原子尺寸差異 越大，固溶強化效果應越強，再加上微晶強化，鍵結增強及非晶質無差 排綜合表現，使多元合金都有極高的硬度值。退火後非晶質相雖消失，
但硬度只輕微下降，顯示高固溶強化的多元相，與高固溶的非晶質相硬 度相差不大［15］。
(3) 由 CuCoNiCrAlFe 六元非等莫耳合金，發現對 FCC 及 BCC 相改變最大 的元素是 Cu 和 Al。其中 Cu 增加促進 FCC 相的形成，而 Al 增加促進 BCC 相的形成。而無 Al 的 CuCoNiCrFe 合金亦呈 FCC 結構，硬度僅為 Hv133；Al 原子半徑較另五種原子大，Al 增加時，FCC 晶格膨脹，內應 力增加，進而增加固溶強化，增至 0.8 份時，開始有較開放且較強的 BCC 相形成，此時隨 BCC 體積比增加，硬度亦上升［19］。如圖 2-1 所示，
可明顯看出合金硬度隨 Al 含量增加而增加，Al 含量 3 份的合金硬度是 不含 Al 的五倍。
圖 2-1 不同 Al 含量合金之硬度值［19］
(4) CuCoNiCrAl0.5Fe 合金具有良好延展性及加工硬化能力，其降伏強度可維 持至 800℃，至 900℃才開始大幅掉落，顯示其耐溫性極佳，如圖 2-2 所示。CuCoNiCrAlFe 及 CuCoNiCrAl2Fe 合金在低溫時皆具有高強度，
但隨溫度上升，強度逐漸下降［19］。圖 2-3 為不同 Al 含量的合金在高 應變速率下，其降伏強度對溫度的比較；Al 含量越高者，其強度越高，
但隨著溫度增加，Al 含量高者強度降低幅度亦較大。
圖 2-2 不同 Al 含量高熵合金之降伏強度與溫度之關係(低應變速率) ［19］
圖 2-3 不同 Al 含量高熵合金之降伏強度與溫度之關係(高應變速率) ［19］
2.5 高熵合金熱處理研究［20］
蔡氏等人對高熵合金鍛件及鑄件熱處理研究結果如下：
(1) FeCoNiCrCu 及 FeCoNiCrCuAl0.5高熵合金鑄件在 700℃有最佳之析出硬 化現象，且合金中含鋁量愈高愈不易過時效，析出相為 BCC 結構。
(2) 700℃熱鍛之高熵合金需以 900℃，10 小時以上退火處理方能充分消除加 工硬化，此與合金中多元素擴散慢有關。
(3) 50%冷軋加工之高熵合金，在 900℃退火處理須 5 小時以上方能消除加工 硬化。
(4) 隨加工量增加，樹枝狀中產生之針狀結構愈緻密，在 900℃退火處理後，
此針狀結構逐漸消失，被粗大結構取代。
2.6 高熵合金銲接性質研究［23-24］
本實驗室自近年來，對高熵合金之銲接性能進行多項研究，獲致下列 研究成果：
(1)選用不銹鋼銲條與超合金銲條進行高熵合金異種銲接後，由銲道外觀品 質結果，以超合金 230、718 及 316 不銹鋼等三種銲條，對於 304 不銹 鋼與高熵合金的異種材料 TIG 銲接，其銲道表面之巨觀品質為最佳。
(2)超合金 230 銲條對高熵合金施銲後，可獲得良好之銲件強度，超合金 718 銲條銲接高熵合金可獲得最佳伸長率。
(3)超合金 718 銲條銲接高熵合金可獲得最佳伸長率，其次為超合金 230 銲
條。如以高熵合金的種類作比較，以 FeCoNi2CrA10.5MnC0.1高熵合金銲 件 之 伸 長 率 為 最 佳 ， 其 次 為 FeCoNiCrCuAlC0.1 高 熵 合 金 銲 件 ， 以 FeCoNiCrCuAl0.5C0.1高熵合金銲件之伸長率最差。
(4)FeCoNiCrCu、FeCoNiCrCuC0.1、FeCoNi0.5CrAl0.5高熵合金銲件之熱影響 區部份，具有類似「析出硬化」的現象，其熱影響區硬度值高於母材部 分。
(5)以高熵合金銲條以及超合金 230、718 銲條對高熵合金及 304 不銹鋼進 行異種銲接，以高熵合金銲條施銲者可獲得最佳之強度及延伸率。
(6)FeCoNi0.5CrAl0.5高熵合金以同質之高熵合金銲條對 304 不銹鋼進行異種 銲接，其銲件之抗拉強度優於 304 不銹鋼。
2.7 TIG 銲接介紹［21-22］
電弧銲接(arc welding)的最初方法是使用碳棒作為電極，當二支碳棒接 上適當電源(最初使用直流電源)，連接於負極之碳棒，稱為陰極(cathode)，
連接於正極之碳棒稱為陽極(anode)；當兩極接觸後立即分離，在兩極間之 空氣被電離而產生光束即稱之為電弧(arc)，電弧之溫度可達 3000℃以上，
可將兩銲件之接合部及填充料熔化而接合，後來經過改良而有各種電弧銲 法的發明，然其原理都是一樣的，其示意圖如圖 2-4 及 2-5 所示，電弧可視 為在具有一定電壓的兩電極間或電極與工件間在氣體介質中產生強烈且持 久之放電現象。換言之，電弧是一種可以控制的「局部氣體長時間穩定之
導電現象」。值得注意的是，由於電弧在放電或導電的過程中，除了會產生 大量的熱能外，同時亦會形成強烈的弧光，因此在進行銲接工作時必須要 注意銲接電弧的高溫與強光危害。
圖 2-4 熔極式電弧銲接[22]
圖 2-5 非熔極式電弧銲接[22]
2.7.1 銲接電弧之結構
2.7.1 銲接電弧之結構