導讀：由于高熵合金( HEAs )具有大的化學復雜性和高的結構熵，人們逐漸認識到局部化學有序( LCOs )的存在是高熵合金的共同結構特征。高熵合金中LCOs的形成和表征，以及關于這一主題的挑戰在我們之前的觀點論文中進行了討論。本文強調了LCOs對物理和機械性能的顯著影響。此外，還將總結和探索如何通過操縱這些LCO來改善性能的努力。顯然，本文試圖從高熵合金固有的原子尺度結構織構的角度來理解其獨特的性質，并最終在其突出的性質和鮮明的結構特征之間建立聯系。

高熵合金( HEAs )是由多種主元組合而成，由于其在極端條件下的巨大應用潛力而受到廣泛關注。這種革命性的合金設計范式為特定應用提供了調節性能的異常大的成分靈活性，并催生了從高熵合金、高熵鋼、高熵磁性材料、高熵金屬間化合物到高熵稀土磁熱合金等多種先進金屬材料。所設計的高熵合金表現出突出的力學和物理性能，包括超過大多數純金屬和合金的超高斷裂韌性，與結構陶瓷和一些金屬玻璃相當的強度，超導電性和顯著的耐腐蝕性。盡管如此，高熵合金中獲得獨特性質的潛在機制仍遠未得到很好的理解，盡管由高組態熵產生的簡單效應被廣泛傳播，即高熵、嚴重的晶格畸變、緩慢的擴散和雞尾酒效應。

在凝固過程中，混合的構型熵通常超過化合物形成的焓，并最終穩定固溶體而不是金屬間化合物。因此，高熵合金通常具有簡單的相組成，其性質很難直接從微觀尺度上的結構特征來解釋。假設高熵合金中各種類型的組成原子隨機分布在晶體學點陣位置，消除了溶質-溶劑的差異。由于(例如,不同的原子尺寸,電子結構,混合焓等。)具有較大的化學復雜性，不可避免地會產生嚴重的晶格畸變。更復雜的是，在這些成分復雜的固溶體中，哪些組成元素占據了哪些晶格位置仍然是未知的。換句話說，在原子尺度上深入了解高熵合金的內在結構屬性是充分理解其獨特性質和結構之間關系的前提。

人們在這方面付出了巨大的努力，逐漸形成了一種共識，即局部化學有序( LCO )是研究高熵合金獨特性質的重要途徑。在具有高組態熵的體系中，LCOs的形成在熱力學和動力學上都是有利的，這被認為是高熵合金的共同結構特征。LCOs的形成機理及其實驗表征所面臨的挑戰在我們先前的觀點論文中進行了討論。在這里，我們將重點介紹LCOs的實驗表征的最新進展，其次是LCOs的重大影響和增強性能的設計策略。

北京科技大學呂昭平教授團隊針對上述問題作了研究，高熵合金中原子的排列并不是理想的無序狀態，因為原子半徑的多樣性和組成元素之間的復雜相互作用通常會導致LCO結構在凝固或熱處理過程中形成。就高熵合金中考慮的LCO而言，即使構型熵在相形成的熱力學中占主導地位，也需要考慮組分之間的化學相容性（例如，混合焓的影響）。因此，通過添加與組成組分具有強烈化學親和力的溶質或調整熱處理工藝，可以在一定程度上增強化學分布的不均勻性。高熵合金中的LCO是一種常見的缺陷結構，它會產生局部固有屬性的變化（例如，堆疊斷層能量和勢能勢壘），從而顯著改變位錯運動和倍增。在這方面，調節高熵合金中的LCOs為調控高熵合金的物理和力學性能提供了一種新的途徑，這應該是該領域的重要研究課題。相關研究成果以“Enhancing properties of high-entropy alloys via manipulation of local chemical ordering”為題，發表在Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223008435

圖1EXAFS譜在Ni、Co和Cr的K邊測量，表明在Co Cr Ni MEA中Cr原子與Ni和Co鍵合良好。

圖2通過先進的TEM技術揭示了典型fcc高熵合金中的LCO。Co Cr Fe Mn Ni和Co Cr Fe Ni Pd高熵合金中各元素原子分數的( a , b) Line profile取自各自的EDS圖譜；( c ) Co Cr Fe Ni Pd高熵合金中各元素局部濃度分布對比；( d , e)分別為淬火態和時效態Co Cr Ni樣品的能量過濾衍射圖譜和強度；( f , g)分別為淬火態和時效態Co Cr Ni樣品的典型高分辨TEM照片。

圖3通過結合多種TEM技術同時解析LCOs的結構和組成信息。( a ) Co Ni V中fcc相以[ 112 ]區為軸的晶格像及對應的FFT花樣(插圖)。( b , c) Inverse FFT圖像顯示了局部LCO配置的LCO區域和單位周期。( d )顯示元素分布的EDS圖譜，表明元素在交替原子平面上的特定富集。( e-g )采用同樣的方法得到時效態bcc Ti - Zr - V - Nb - Al高熵合金樣品中存在LCO的證據。( h ) Zr - X對的徑向分布函數曲線表明存在富Zr - Al的LCO。

圖4Co Cr Ni MEA中LCO檢測衍射花樣的數據挖掘，涉及4個步驟。( a )數據采集，( b )納米簇檢測，( c )模式分組，( d )模板識別和優化。

圖5通過3D - APT重建兩種具有代表性的bcc HEAs 中OOCs的元素分布和數密度。( a , b)重建了( Ti Zr Hf Nb ) 98O2高熵合金中3.0 at . % O的等值面和相應的成分分布，揭示了OOCs中Ti的過量和Zr的輕微富集。( c、d)在Ti53Zr30Nb14O3中對6.5 at . % O進行等值面重構和聚類分析重構。

圖6在( Ti Zr Hf Cu Ni ) 83.3 Co16.7高熵合金中，納米尺度的局部化學波動誘導了超滯后的馬氏體相變。( a )通過APT的代表性局部區域的原子分布，顯示出尺寸約為5 nm的化學異質性。( b )馬氏體變體隨外載荷的演化，表明馬氏體的快速生長受到抑制，馬氏體變體被限制在納米尺度內。

多年來，廣泛的研究致力于通過使用各種先進的表征方法來解碼微觀結構和理解高組態熵產生的實際效果，試圖在高熵合金的內在結構特征與其獨特的性能之間建立穩固的聯系。由于高熵合金的化學復雜性(例如,不同的原子尺寸,電負性,混合熱等。)和組成元素之間復雜的相互作用，在能量上有利于LCOs的形成，這被證實是高熵合金的內在結構特征。在此，我們簡要總結了LCOs對物理和機械性能的影響，并展示了如何通過合金化和/或熱機械處理操縱這些局部結構實體來提高整體性能。希望我們的簡要綜述能夠啟發有見地的思考，充分認識到高熵合金結構特征的重要性，從而推動該領域的快速發展。