高熵合金是含有四种或四种以上元素以等摩尔比或近等摩尔比组成的一种新型合金,凝固时形成简单的FCC或BCC固溶体相而不是复杂的金属间化合物相。这种独特的固溶体结构,使得高熵合金具有高强度、高塑性、高耐腐蚀性等优点,是一种极具发展潜力的新型金属材料。铸造合金的性能取决于合金的成分C0、凝固速度V、温度梯度G。在传统的铸造方法中,由于这三个因素不能独立控制,因此对于高熵合金凝固过程的研究一直较为缺乏。定向凝固技术是一种可以分别独立控制合金凝固速度V和温度梯度G的凝固技术,适用于新型金属材料凝固机理的研究。本文采用定向凝固技术系统地研究CoCrFeNi系高熵合金在不同定向凝固条件下的相组成和微观组织演变与力学性能的关系。通过设计加入与Co、Cr、Fe、Ni混合焓较为接近的Mn元素和Cu元素,以及混合焓较负的Al元素和Ti元素,研究添加原子尺寸差异较小且混合焓较为接近的Mn元素和Cu元素,原子尺寸差异较大且混合焓较负的Al元素和Ti元素对CoCrFeNi高熵合金基体的组织演变及力学性能的影响规律。全文通过系统的分析和讨论,得出如下研究结论:在CoCrFeNi高熵合金的定向凝固过程中,随着抽拉速度由5μm/s增加到50μm/s,固液界面形貌呈现出胞状晶→胞状树枝晶→树枝晶的转变。通过理论计算得出CoCrFeNi高熵合金胞晶→枝晶临界转变速度为26.1μm/s。随着抽拉速度的提高,CoCrFeNi高熵合金的屈服强度由233MPa提高到383MPa,断裂强度由431MPa提高到596MPa,与此同时,所有试样的延伸率均超过34.3%。等摩尔比的Mn元素添加到CoCrFeNi高熵合金中进行定向凝固后,发现加入原子尺寸及混合焓与基体较为接近的Mn元素,CoCrFeNi Mn高熵合金的相组成是富CoCrFeNi的FCC1型固溶体和富Mn Ni的FCC2型固溶体。抽拉速度由5μm/s增加到100μm/s时,富CoCrFeNi的FCC1固溶体的择优生长方向由(001)转变为(101),富Mn Ni的FCC2型固溶体的择优生长方向是由(010)转变为(110)。富Mn Ni的FCC2型固溶体不能作为增强相显著提升高熵合金的力学性能,拉伸过程中裂纹萌生在富Mn Ni的FCC2型固溶体和富CoCrFeNi的FCC1型固溶体的界面,最终导致试样的断裂。加入等摩尔比Cu元素后,由于原子尺寸和混合焓与基体中各组元较为接近,CoCrFeNi Cu高熵合金的相组成为富CoCrFeNi的FCC1型固溶体和富Cu-Ni的FCC2型固溶体。加入Cu元素形成的FCC2型固溶体不能作为增强相显著增加合金的强度,但是可以提升合金的塑性。拉伸变形过程中富Cu Ni的FCC2固溶体在断裂过程中形成韧窝,富CoCrFeNi的FCC1固溶体则形成撕裂棱和解理台阶。8at.%Al原子加入CoCrFeNi高熵合金后,由于Al原子与Ni原子的混合焓较负,(CoCrFeNi)92Al8高熵合金的组织由单相的FCC固溶体转变为FCC+BCC双相固溶体结构。8at.%Al原子的加入可以显著提升CoCrFeNi高熵合金基体的强度,这是由于混合焓最负的Al-Ni原子对均匀分布在晶界上形成BCC固溶体相。由于Ti原子与基体中各元素的混合焓较负,Ti原子的加入使得大量尺寸较大的Co3Ti和Ni3Ti等金属间化合物生成。这些尺寸较大的金属间化合物在变形过程中不能起到强化基体的作用,反而容易形成裂纹。加入等摩尔的Al元素和Ni元素形成名义成分Al CoCrFeNi2.1的高熵合金,定向凝固后的组织为富Co Cr Fe的FCC型固溶体和富Ni Al的BCC型固溶体。Al CoCrFeNi2.1高熵合金的平衡凝固路径为L→L+FCC→L+FCC+BCC→FCC+BCC,在抽拉速度为5μm/s的近平衡凝固状态下,富Co Cr Fe的FCC型固溶体相具有明显的生长优势而成为领先相。在抽拉速度为100μm/s快速凝固条件下,获得的组织为几乎全片层状的共晶组织。阐述了Al CoCrFeNi2.1高熵合金在近平衡凝固条件下和非平衡凝固条件下所获得组织的差异。当抽拉速度在较低的5μm/s时,Al CoCrFeNi2.1高熵合金的断裂强度为696MPa,延伸率为33.3%。当抽拉速度增加到100μm/s时,断裂强度提高到1012 MPa,延伸率为14.5%。