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高熵合金打破了传统合金的设计理念,是以多种主要元素组成的一类新型合金。高熵合金多元素的协同作用使其具有许多优异的性能,如高的强度/硬度、良好的耐磨性、好的耐腐蚀性、高的低温韧性等,因而具有广阔的工业应用前景。然而以固溶体为主要结构的高熵合金,铸造流动性较差,难以补缩,大体积铸锭的宏观和微观偏析严重,不利于高熵合金的规模化工业应用。而共晶高熵合金可同时具有高熵合金和共晶合金的特性,因而具有重要的经济价值和理论研究意义。本文基于二元合金相图提出了设计共晶高熵合金成分的等比例混合方法,并设计了CoFeNi(Cr)-M(M = Nb、Ta、Zr、Hf、Al)系列共晶高熵合金。本文主要以上述合金为研究对象,通过各种测试分析方法,系统地研究了合金的成分、组织结构及力学性能。本文主要结论如下:(1)提出了共晶高熵合金成分设计方法:首先通过二元合金相图获得形成共晶合金的成分,再将二元共晶成分按照等比例混合得到不同组元共晶合金成分,这一方法在FeNiNb0.35 三元共晶合金、CoFeNiNb0.5 四元共晶合金以及(CoCrFeNi)Mx(M = Nb、Ta、Zr、Hf)五元共晶合金中都比较适用,该方法为多主元共晶高熵合金的成分设计提供了新途径。(2)将二元共晶等比例混合方法应用在(CoCrFeNi)(M =Nb、Ta、Zr、Hf)合金系中,并成功设计出 CoCrFeNiNb0.45、CoCrFeNiTa0.4、CoCrFeNiZr0.55、CoCrFeNiHf0.4 共晶高熵合金成分,其组织由FCC+Laves两相细小层片共晶胞形貌构成。其中,CoCrFeNiNb0.45和CoCrFeNiTa0.4共晶高熵合金展现了最优的综合力学性能。CoCrFeNiTa0.4共晶高熵合金高的强度主要来源于四种强化机制中的Laves第二相强化和Hall-Petch 强化。(3)设计并通过直接凝固法制备出了具有均匀超细组织(层片宽度约200 nm)的大尺寸CoCrFeNiNb0.45共晶高熵合金。该合金展现了优异的抗高温软化性能:1100℃退火后合金硬度(479 HV)相比于铸态(515 HV)仅仅降低7%;700 ℃压缩条件下,合金的压缩强度、屈服强度和断裂应变分别为1082 MPa、843 MPa、28%。(4)选用高强度、高耐磨性的CoCrFeNiNbx(x = 0.45、0.5、0.75、1.0)共晶及过共晶合金用激光熔覆制备成合金涂层,涂层微观组织由亚共晶(x = 0.45、0.5)转变为过共晶(x= 0.75、1.0)。其中,CoCrFeNiNb1.0合金涂层硬度值为590HV,相当于基体硬度的2.8倍。在相同磨损条件下,CoCrFeNiNb1.o高熵合金涂层具有最优的耐磨性能。(5)设计并制备了具有有序FCC与B2双相结构的CoFeNi2Al0.9共晶高熵合金,该合金展现了良好的力学性能:室温拉伸屈服强度为559 MPa,断裂强度为1005 MPa,延伸率为6.2%;600 ℃高温拉伸断裂强度为706 MPa,延伸率为26.4%。且大尺寸CoFeNi2Al0.9共晶高熵合金展现了潜在的工业化应用前景。(6)通过透射电镜观察CoFeNi2Al0.9共晶高熵合金中不同变形阶段的亚结构形貌,结果发现:FCC相中亚结构的演变是由平直位错转变为弯曲位错、高密度位错堆积、位错网,再转变为位错墙、Taylor晶格;B2相中亚结构的演变是由少量短位错向大量平直位错形貌。