高熵合金是由多種比例大致相等的金屬形成的合金，具有許多卓越性能，如抗斷裂能力、抗拉強(qiáng)度、抗腐蝕及抗氧化特性等，為定制滿足不同應(yīng)用需求的材料提供了變革機(jī)會(huì)，將“應(yīng)用已有材料”范式轉(zhuǎn)移到“按需設(shè)計(jì)材料”。高熵合金將憑借卓越的材料性能，使其高性能制品在國(guó)際市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)力。高熵合金還可為制造商提供新的選擇，以生產(chǎn)稀有的、危險(xiǎn)的、昂貴的、或受國(guó)際限制或具有利益沖突影響的材料的替代品。高熵合金在多個(gè)不同領(lǐng)域都具有潛在優(yōu)勢(shì)，不僅可加速經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)及提升美國(guó)國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而且還將有助于應(yīng)對(duì)緊迫的社會(huì)挑戰(zhàn)。高熵合金主要應(yīng)用領(lǐng)域包括固態(tài)冷卻、液化天然氣處理、抗降解核材料、耐腐蝕熱交換器、高溫能源效率的提升、高性能航空航天材料、超硬彈道、堅(jiān)固耐腐蝕的醫(yī)療設(shè)備和磁共振成像技術(shù)等。

高熵鋼鐵與傳統(tǒng)鋼鐵相比具有更強(qiáng)的極限抗拉強(qiáng)度和斷裂總伸長(zhǎng)率。

一、美國(guó)高熵合金制造業(yè)發(fā)展面臨的八個(gè)挑戰(zhàn)

制造商和高熵合金專家認(rèn)為美國(guó)在高熵合金制造流程、測(cè)試、數(shù)據(jù)以及必要的知識(shí)、工具和資源獲取方面遇到了一些挑戰(zhàn)。主要表現(xiàn)為以下 8 個(gè)方面：

（1）工藝限制：從溫度到雜質(zhì)再到氧化，高熵合金需要面臨獨(dú)特的制造工藝挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)工藝如鑄造、熱機(jī)械加工、連接和增材制造還沒(méi)有克服這些挑戰(zhàn)。

（2）合金識(shí)別：為了快速經(jīng)濟(jì)地制造出滿足需求的合金，研究人員需要用于合金識(shí)別、建模和設(shè)計(jì)的相關(guān)工具。但是目前的工具缺乏準(zhǔn)確性、速度和可靠性。

（3）雜質(zhì)：目前的制造方法不能生產(chǎn)具有所需純度的高熵合金。

（4）原料和原材料：元素、納米顆粒和母合金的質(zhì)量不高，或者對(duì)于研發(fā)人員和制造商來(lái)說(shuō)開(kāi)發(fā)和量產(chǎn)高熵合金的制造成本太高。

（5）高通量實(shí)驗(yàn)表征：合金的實(shí)驗(yàn)表征從發(fā)現(xiàn)到開(kāi)發(fā)再到放大是至關(guān)重要的。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備要么不足，要么難以讓研究人員對(duì)高熵合金進(jìn)行表征。

（6）建模和仿真數(shù)據(jù)：從理解微觀結(jié)構(gòu)到優(yōu)化制造過(guò)程，數(shù)據(jù)對(duì)于建模和模擬高熵合金是必不可少的。但目前數(shù)據(jù)尚未集中，數(shù)據(jù)之間不一致且不能隨時(shí)可用。

（7）中級(jí)規(guī)模示范：雖然高熵合金制造界在生產(chǎn)小型合金樣品方面取得了進(jìn)展，但是制造工藝規(guī)模化所需的設(shè)備卻非常缺乏。

（8）與行業(yè)保持一致：高熵合金制造業(yè)界之間缺乏合作，使得高熵合金制造研究與行業(yè)需求很難保持一致。資源、工具和數(shù)據(jù)不能在整個(gè)業(yè)界中實(shí)現(xiàn)很好地共享和使用。

二、提出的四項(xiàng)可行性建議及相關(guān)注意事項(xiàng)

為確保美國(guó)高熵合金領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)現(xiàn)帶來(lái)新的經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，需要進(jìn)行戰(zhàn)略投資和協(xié)調(diào)。本報(bào)告為提高美國(guó)制造業(yè)在高熵合金中的競(jìng)爭(zhēng)力提出了4 條可行的建議。

（1）通過(guò)投資推動(dòng)高熵合金制造關(guān)鍵技術(shù)的轉(zhuǎn)化研究。主要包括合金識(shí)別、熔化、鑄造、熱機(jī)械加工與連接、基于粉末線材和涂料的制造、建模等。

這需要一項(xiàng)多機(jī)構(gòu)聯(lián)邦研究計(jì)劃，以集中精力推進(jìn)最有前途的新興制造技術(shù)，并解決商業(yè)化生產(chǎn)和使用之間的障礙。

①合金識(shí)別：需要更好的工具來(lái)探索高熵合金的廣泛設(shè)計(jì)空間，以識(shí)別具有所需特性的可制造合金。具體的研究主題包括：以多種復(fù)雜性和準(zhǔn)確性鏈接多保真模型和實(shí)驗(yàn)相關(guān)的工具。最優(yōu)方案是計(jì)算密集型模型與快速、低成本的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，以適度的時(shí)間和成本費(fèi)用提供適度的準(zhǔn)確性和確定性，這就需要研究多保真層之間的連接優(yōu)化方案同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成；簡(jiǎn)化工具以期發(fā)現(xiàn)性能優(yōu)異的合金，連接和集成原有孤立的建模工具和數(shù)據(jù)集。在考慮了制造因素的同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫、快速、有效的基于標(biāo)準(zhǔn)的成分和微觀結(jié)構(gòu)空間探索；研制用于識(shí)別可制造的耐火合金的工具，以滿足合金獨(dú)特的性能要求和制造需求。

②熔化：高熵合金的復(fù)雜化學(xué)成分對(duì)熔化提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。具體的研究主題包括：擴(kuò)展現(xiàn)有熔體工藝的能力，包括熔點(diǎn)高于 1500℃的合金技術(shù)，間質(zhì)合金及具有復(fù)雜成分的化學(xué)品的處理技術(shù)，以及可以提高電磁攪拌均勻性的相關(guān)技術(shù)；新穎的電磁和定向能量感應(yīng)，以確保熔融合金具有均勻的化學(xué)成分及對(duì)不需要的相態(tài)進(jìn)行控制；標(biāo)準(zhǔn)化、更清潔的母合金，可簡(jiǎn)化熔化過(guò)程并減少雜質(zhì)；分析工具可將熔體加工參數(shù)與雜質(zhì)積累和夾雜物的形成相關(guān)聯(lián)。

③鑄造：將熔融合金鑄造成最終形狀或鑄錠，以便后續(xù)加工。具體研究主題：應(yīng)擴(kuò)展熱頂鑄造方法，以解決高熵合金鑄造的獨(dú)特凝固途徑和動(dòng)力學(xué)；應(yīng)該進(jìn)行流變鑄造，在鑄造中使用半固態(tài)合金，以實(shí)現(xiàn)鑄造高熵合金的低孔隙率，低收縮率和良好的機(jī)械性能；在大溫度范圍內(nèi)需要高精度冷卻速率控制方法，以在高熵合金鑄造和熱處理過(guò)程中嚴(yán)格控制凝固路徑，以減少孔隙率、偏析等鑄造挑戰(zhàn)。

④熱機(jī)械加工與連接：合金通常通過(guò)熱處理和機(jī)械加工進(jìn)行精煉，以獲得所需的合金性能。

存在的不足：尚未全面理解雜質(zhì)對(duì)高熵合金形變的影響；尚未充分研究焊接性和整體性，使其無(wú)法為連接技術(shù)提供信息；缺乏焊接和連接高熵合金的工藝模型；缺乏高熵合金的熱機(jī)械加工策略。

具體的研究主題：高溫?zé)彳埣夹g(shù)和模具材料，包括允許加工高溫高熵合金的潤(rùn)滑劑；可增加高熵合金均勻性的熱軋方法；用于高熵合金的可快速啟動(dòng)和停止“小型軋機(jī)”，可快速測(cè)試小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量；理解從熱機(jī)械和連接過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的變化，包括焊接，軋制和成形對(duì)其產(chǎn)生的影響，以克服傳統(tǒng)加工和連接方法的局限性。

⑤基于粉末、線材和涂料的制造：除了解決熔鑄工藝中的挑戰(zhàn)外，還要集中精力研究以下主題：粉末和線材生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步優(yōu)化，包括新型非霧化粉末制造途徑、表面鈍化方法和霧化工藝，這些工藝在與高熵合金相關(guān)的粉末生產(chǎn)方面表現(xiàn)優(yōu)異。當(dāng)前對(duì)耐火材料和活性顆粒的相關(guān)研究比較缺乏，但該項(xiàng)研究卻至關(guān)重要；粉末和涂層質(zhì)量的模型化，包括制造工藝和合金性能之間關(guān)系的模擬。研究還應(yīng)確定適用于增材制造工藝的合金組合；新穎的添加工藝，包括對(duì)傳統(tǒng)粉末添加工藝的修改，以及高熵合金的熱、冷噴涂、等離子涂層和機(jī)械合金化工藝的優(yōu)化；能有效控制沉積速率和混合劑量的多種元素濺射噴涂技術(shù)。

⑥建模：高熵合金的復(fù)雜性需要改進(jìn)現(xiàn)有模型并制定基準(zhǔn)模型。具體的研究主題為：與高熵合金相關(guān)的制造工藝模型，包括高溫下合金的粘度、擴(kuò)散性、焊接和釬焊對(duì)微觀結(jié)構(gòu)、能量使用、成本和比例定律的影響。可靠的工藝配方，標(biāo)準(zhǔn)的制造實(shí)踐和高度的可行性可促進(jìn)模型向產(chǎn)品過(guò)渡；關(guān)鍵高熵合金特性和工藝的模型，包括相體和整體微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、高溫?zé)崃W(xué)、凝固路徑、氧化物形成和 Hall-Petch 強(qiáng)化。應(yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)和制造工藝，擴(kuò)展現(xiàn)有模型；與制造、微觀結(jié)構(gòu)和性能相關(guān)的模型，包括動(dòng)力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，以及所得微觀結(jié)構(gòu)如何改變延展性、斷裂、韌性和蠕變等機(jī)械性能。缺陷和微觀結(jié)構(gòu)演變（例如晶格和相穩(wěn)定性）之間的關(guān)系以及由此產(chǎn)生的對(duì)機(jī)械性能的影響也需要模型。從制造經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度來(lái)看，還需要模型來(lái)評(píng)估不同的原料雜質(zhì)水平對(duì)合金性能和成本的影響程度；開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展新穎的建模方法，包括改進(jìn) PHAseDiagrams 計(jì)算方法和工具在高熵合金中的應(yīng)用，提高準(zhǔn)確性，評(píng)估不確定性和數(shù)據(jù)庫(kù)響應(yīng)能力。其他重要的新興建模方法包括密度泛函理論、特殊準(zhǔn)隨機(jī)結(jié)構(gòu)方法、原子勢(shì)方法、空位擴(kuò)散率、從頭算分子動(dòng)力學(xué)、混合蒙特卡羅 / 分子動(dòng)力學(xué)和相干電位近似。機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)提供了另一條新興路徑，它具有建模高熵合金行為和與各種建模方法集成的巨大潛力；基準(zhǔn)模型用于驗(yàn)證其他模型的準(zhǔn)確性和范圍。

（2）建立國(guó)家測(cè)試中心，開(kāi)發(fā)新型高通量測(cè)試方法，并進(jìn)行合金發(fā)現(xiàn)和表征的高通量測(cè)試。重要的進(jìn)展將包括自動(dòng)化的大規(guī)模并行機(jī)械、環(huán)境和功能測(cè)試，如納米壓痕、自動(dòng)化 X 射線表征和并行剪切沖壓。該中心將與管理機(jī)構(gòu)合作，制定標(biāo)準(zhǔn)和基準(zhǔn)，并通過(guò)國(guó)家測(cè)試合作實(shí)驗(yàn)室，建立和協(xié)調(diào)材料測(cè)試能力。

從最初的合金發(fā)現(xiàn)到模型開(kāi)發(fā)，再到制造過(guò)程的改進(jìn)和驗(yàn)證，再到零件認(rèn)證，實(shí)驗(yàn)測(cè)試滲透到高熵合金制造過(guò)程的所有部分。高熵合金拓寬了材料科學(xué)的范疇，同時(shí)也拓寬了當(dāng)前可用的機(jī)械和功能測(cè)試的局限性。高熵合金獨(dú)特的成分復(fù)雜性使得難以使用諸如層析成像和 X 射線衍射這樣的傳統(tǒng)工具來(lái)評(píng)估和表征。目前還沒(méi)有用于高通量機(jī)械測(cè)試的實(shí)用的、省時(shí)且低成本的方法。

實(shí)現(xiàn)機(jī)械和功能測(cè)試還存在一些挑戰(zhàn)：

①樣品制造：高熵合金研究和制造的利益相關(guān)者一直在尋求可以消除樣品測(cè)試不確定性的合適的測(cè)試方法；②尺寸規(guī)模：實(shí)驗(yàn)方法不能提供高通量實(shí)驗(yàn)所需的小尺寸測(cè)量，特別是拉伸強(qiáng)度和延展性等關(guān)鍵性能領(lǐng)域的測(cè)量。機(jī)械性能對(duì)長(zhǎng)度尺度敏感，克服此挑戰(zhàn)可以增進(jìn)對(duì)材料性能的全面理解；③復(fù)雜性測(cè)試：很難測(cè)試高溫環(huán)境中合金的復(fù)雜載荷，與環(huán)境相互作用等性能；④高通量測(cè)試方法：預(yù)測(cè)相平衡階段和相圖的高通量計(jì)算能力正在迅速發(fā)展并且已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但一些嚴(yán)重的材料缺陷仍然需要高通量實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估。由此關(guān)鍵數(shù)據(jù)的缺失將繼續(xù)阻礙建模、模擬及合金識(shí)別的相關(guān)進(jìn)展。

高通量測(cè)試領(lǐng)域發(fā)展存在的不足之處為：缺乏可同時(shí)測(cè)量合金強(qiáng)度和延展性、蠕變、疲勞、斷裂韌性、彈性模量和平行韌性轉(zhuǎn)變溫度（DBTT）的測(cè)量方法；還需進(jìn)一步研究徑向分布函數(shù)（RDF）的有序性和合金結(jié)構(gòu)，以及中等規(guī)模合金的同質(zhì)性測(cè)試，優(yōu)化材料的化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)；了解合金對(duì)高溫、快速氧化測(cè)試及對(duì)輻射的響應(yīng)能力；改進(jìn)對(duì)合金的熱，電，磁和磁熱等性能的測(cè)量方法。

⑤標(biāo)準(zhǔn)化：測(cè)試和結(jié)果數(shù)據(jù)不一致，缺乏共同的分類法和不同利益相關(guān)者之間通用的語(yǔ)言。此外，缺乏關(guān)于這些復(fù)雜合金的化學(xué)驗(yàn)證的可靠標(biāo)準(zhǔn)。

需要注意 9 個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展：薄膜的高通量測(cè)量與塊體材料特性的相關(guān)性；低溫測(cè)試與高溫測(cè)試的相關(guān)性，以此實(shí)現(xiàn)性能提升的同時(shí)降低成本；與實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)性能相關(guān)的常見(jiàn)測(cè)試方法的不確定性分析；用于測(cè)試的通用分類法和語(yǔ)言以及高熵合金的結(jié)果數(shù)據(jù)；高熵合金的化學(xué)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)；用于認(rèn)證和驗(yàn)證高熵合金的無(wú)創(chuàng)評(píng)估結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)；建立原料（粉末和線材）的標(biāo)準(zhǔn)并明確其定義，以確定產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量；為高熵合金制造流程建立基準(zhǔn)。

（3）為高熵合金數(shù)據(jù)建立中央數(shù)據(jù)庫(kù)。包括合金性能、制造工藝、參數(shù)和模型的理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以最大限度減少重復(fù)工作，并加速美國(guó)研究人員和制造商創(chuàng)新。

建立包括合金屬性，制造工藝和參數(shù)以及模型理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高熵合金中央數(shù)據(jù)庫(kù)。驗(yàn)證并組織從公共和私人利益相關(guān)者處收集得到的數(shù)據(jù)，然后將其提供給美國(guó)研究人員。

建立數(shù)據(jù)庫(kù)的必要性或作用有以下幾點(diǎn)：①避免重復(fù)工作：避免每個(gè)研究小組為了解該領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r而進(jìn)行冗余的文獻(xiàn)綜述；②擴(kuò)展分析方法：增強(qiáng)使用高級(jí)分析（如機(jī)器學(xué)習(xí)）方法來(lái)提升高熵合金設(shè)計(jì)的能力；③改進(jìn)復(fù)雜分析模型：只能從綜合數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)合金的物性變化趨勢(shì)，強(qiáng)化機(jī)械建模功能對(duì)于相圖的化學(xué)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)非常重要；④考慮不利的結(jié)果：不總是公布不利的結(jié)果，但它們對(duì)于推進(jìn)該領(lǐng)域發(fā)展和確保有效的資源分配至關(guān)重要；⑤促進(jìn)領(lǐng)域發(fā)展：數(shù)據(jù)通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)和設(shè)備（例如同步加速器）以高速率生成，并且分析必須保持同步，得到的分析結(jié)果有利于促進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展。

建立數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括搜集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的驗(yàn)證、數(shù)據(jù)的組織及獲取等四個(gè)部分。

（4）通過(guò)降低先進(jìn)制造方法、表征工具和計(jì)算能力相關(guān)聯(lián)邦設(shè)施和專業(yè)知識(shí)的獲取門檻以加強(qiáng)合作。實(shí)驗(yàn)室之間以及工業(yè)界和學(xué)術(shù)界之間的合作將推動(dòng)高熵合金的商業(yè)化生產(chǎn)。此外，成立一個(gè)跨學(xué)科的工作小組加強(qiáng)協(xié)作，就制造技術(shù)路線圖、研究重點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、技術(shù)轉(zhuǎn)讓等問(wèn)題提供實(shí)時(shí)信息，以促進(jìn)領(lǐng)域發(fā)展。

建立咨詢組。建立咨詢組是促進(jìn)高熵合金在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)展和商業(yè)化的理想方法。咨詢組將協(xié)調(diào)資源分配，并提供一種機(jī)制來(lái)識(shí)別和關(guān)注共同的競(jìng)爭(zhēng)前挑戰(zhàn)。

建議首先組建一個(gè)行業(yè)范圍的專業(yè)咨詢小組，由來(lái)自行業(yè)界（大型、小型和初創(chuàng)公司）、學(xué)術(shù)界、聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的成員組成。該小組的目標(biāo)是在跟蹤研究和開(kāi)發(fā)進(jìn)展的同時(shí)，識(shí)別和確定技術(shù)挑戰(zhàn)與市場(chǎng)機(jī)會(huì)。該小組的兩項(xiàng)具體任務(wù)是制定路線圖以指導(dǎo)短期、中期和長(zhǎng)期的研發(fā)工作，并根據(jù)對(duì)一系列高價(jià)值應(yīng)用、生產(chǎn)成本和競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境的有效分析，確定商業(yè)機(jī)會(huì)的優(yōu)先順序。

路線圖。高熵合金涉及廣泛的材料和應(yīng)用，這使得在研究和資源分配上很難達(dá)成共識(shí)。然而，在明確了解成功的可能性及有效途徑的專家的適當(dāng)參與下，指導(dǎo)投資的路線圖對(duì)于推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展既可行又必不可少。路線圖至少應(yīng)該解決以下任務(wù)：確定并評(píng)估最有前途和最先進(jìn)（接近生產(chǎn)）的工藝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)不同類型高熵合金的可擴(kuò)展性和適用性；將特定的新興制造技術(shù)解決方案與具有國(guó)家優(yōu)先權(quán)（例如國(guó)防、能源和健康）的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域相匹配；制定協(xié)調(diào)資源和加速創(chuàng)新的長(zhǎng)期戰(zhàn)略。在制定路線圖后，咨詢小組將跟蹤實(shí)現(xiàn)路線圖目標(biāo)的進(jìn)展情況。該小組還將直接與相關(guān)研究人員和行業(yè)參與者合作，以確定行業(yè)參與早期研究的機(jī)會(huì)，并加速向美國(guó)公司的許可和技術(shù)轉(zhuǎn)讓。