傳統(tǒng)合金的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，組成合金的金屬元素多了之后，會形成諸多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的脆性金屬間化合物，惡化合金性能。然而近年來，研究者們發(fā)現(xiàn)，將 5 種或 5 種以上的金屬元素按等摩爾比或近等摩爾比混合在一起，不區(qū)分主要元素，熔煉得到的合金具有顯微結(jié)構(gòu)簡化、不傾向于出現(xiàn)金屬間化合物、具有納米析出物與非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)特征，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐回火軟化、耐磨等性能特性。這類合金最初由臺灣清華大學(xué)的葉均蔚等人率先定義為多主元合金或高熵合金?，F(xiàn)有傳統(tǒng)合金還沒有哪種合金可以同時具備以上優(yōu)異性能，因此，高熵合金具有極為廣闊的應(yīng)用前景，可大幅度應(yīng)用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕的刀具、模具及機(jī)件，是切入高功能、高附加值特殊合金材料領(lǐng)域的良好契機(jī)。

一、高熵合金的特點(diǎn)

由于高熵合金從設(shè)計(jì)理念就與傳統(tǒng)合金不同，選擇等原子比或近似等原子比的多個元素為主元，因此決定了高熵合金與傳統(tǒng)合金有不同的特點(diǎn)。

高熵合金具有單一的晶體結(jié)構(gòu)。大量的試驗(yàn)證實(shí)，高熵合金可以形成單一的體心立方或面心立方結(jié)構(gòu)相或者體心立方面心立方簡單的混合相結(jié)構(gòu)，這說明在沒有主元素的情況下，原子比相等或近似相等的各主元會相互固溶成簡單的結(jié)構(gòu)，而沒有形成復(fù)雜的金屬間化合物。

高熵合金在鑄態(tài)和完全回火態(tài)會析出納米相結(jié)構(gòu)甚至非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)高熵合金熔化時，所含元素原子混亂排列，在冷卻凝固過程中，因涉及各主元素眾多原子的擴(kuò)散再分配，將阻礙晶體的形核和生長，因此，有利于納米相的形成。如果冷卻速度足夠快，高熵合金更能展現(xiàn)非晶化的趨向。

熱力學(xué)相對穩(wěn)定性。由熱力學(xué)關(guān)系式－可以直觀的得出，對于多主元高熵合金，由于組元數(shù)較多，混合熵也較大，因此吉布斯自由能較低，系統(tǒng)就越穩(wěn)定。

這個特性是在沒有考慮焓的大小，以及、的競爭關(guān)系下得到的直觀理解。

固溶強(qiáng)化機(jī)制顯著。當(dāng)多主元高熵合金的晶體結(jié)構(gòu)為固溶體時，由于元素種類較多，各主元元素的原子半徑也不同，占據(jù)的晶格點(diǎn)陣具有隨機(jī)性，因此合金有明顯的固溶強(qiáng)化效應(yīng)，導(dǎo)致位錯運(yùn)動、晶面滑移困難，從而使合金具有高強(qiáng)度和高硬度的特點(diǎn)。

高熵合金具有較高的熱穩(wěn)定性以及抗高溫氧化的能力。高熵合金因原子的混亂度大而得名，在高溫下將會有更大的原子混亂度，因此高熵合金無論是結(jié)晶態(tài)還是非晶態(tài)都會變得更加穩(wěn)定，仍然存在固溶強(qiáng)化效應(yīng)，可獲得極高的高溫強(qiáng)度。有研究表明高熵合金在℃退火小時后爐冷，并未出現(xiàn)回火軟化現(xiàn)象目前工業(yè)上使用的合金鋼在超過℃時就出現(xiàn)回火軟化現(xiàn)象。

高熵合金具有較高的耐腐蝕性。多主元高熵合金中某些元素易形成致密氧化膜而且高熵合金具有非晶、微晶、單相、低自由焓等特性，這些都有助于產(chǎn)生極佳的耐腐蝕性。

二、高熵合金可應(yīng)用的領(lǐng)域

1.高速切削用刀具

高熵合金具有較高的硬度和耐磨性。多數(shù)高熵合金的鑄態(tài)組織硬度為 600 ～ 900HV，相當(dāng)于或者大于碳鋼及合金碳鋼的完全淬火硬化后的硬度 ；改變合金元素的含量，還可進(jìn)一步提高合金的硬度。而且高熵合金還通常表現(xiàn)出很高的耐熱性，例如，Al 0.3CoCrFeNiC 0.1 高熵合金在 700 ～ 1000℃時效處理 72h 后，合金硬度非但沒有下降，反而有不同程度的提升。普 通 高速 鋼，如 W 18 Cr 4 V 和 W 6 Mo 5 Cr 4 V 2 的有效切削加工溫度在 600℃以內(nèi)，溫度再高，刀具會明顯鈍化。此外，高速鋼刃具在獲得高硬度、高耐磨性的同時，犧牲了鋼材的塑性、韌性。鋼材塑性、韌性較差，則刀具常常出現(xiàn)折斷、崩刃等失效形式。而高熵合金在獲得高硬度的同時，具有較好的塑性、韌性。例如，F(xiàn)eCoNiCrCuAl 0.5 經(jīng) 50% 壓下率冷壓（即冷壓合金時的塑性變形量達(dá)到 50％）后，非但沒有出現(xiàn)任何裂紋，反而在枝晶內(nèi)部出現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)，大小約數(shù)納米到數(shù)十納米，合金硬度得到進(jìn)一步提升AlCoCrFeNiTi 1.5 在 32% 以內(nèi)的壓下率內(nèi)冷壓，也表現(xiàn)出非常好的延展性。這么大比例的壓下率，對于高速鋼來說是不可想象的。故而高熵合金應(yīng)用于高速切削刀具的制造具有明顯的優(yōu)勢。此外，磁控濺射法制備高熵合金鍍膜的成功，可以在普通鋼制刀具表面鍍上一層高熵合金薄膜，鍍膜厚度在 2.5μm 以內(nèi)。這樣一來，既可以獲得良好的切削加工性能，又能節(jié)約成本。

2.各類工、模具

高熵合金具有高硬度、高耐磨性、高強(qiáng)度及優(yōu)良的耐高溫性能、耐蝕性，使之非常適合制備各類工、模具，尤其是擠壓模和塑料模。例如，AlCoCrFeNiTi 1.5的抗壓強(qiáng)度高達(dá) 2.22GPa，含有 Cr 或 Al的高熵合金具有高達(dá) 1100℃的優(yōu)異抗氧化性能。普通模具鋼則無法兼顧耐磨性、耐蝕性、耐高溫性及良好的塑性。

3.高爾夫球頭

高硬度、高耐磨性和較低的彈性模量，使高熵合金非常適合制作高爾夫球頭打擊面。高熵合金制成的高爾夫球頭，可以在保證球頭打擊面具有較長使用壽命的同時，將球擊打得更遠(yuǎn)，從而提升產(chǎn)品檔次，增加產(chǎn)品附加值。

4.超高大樓的耐火骨架

美國“9·11”事件中，雙塔的整體坍塌很大程度上是因?yàn)榇髽枪羌茕摻钍軣岷髲?qiáng)度急劇下降，從而無法負(fù)荷大樓重量所致。隨著土地資源的緊缺，國內(nèi)外修建超高大樓的案例將越來越多，因而超高大樓的耐火安全性正引起人們越來越多的重視。高熵合金具有極高的抗壓強(qiáng)度和優(yōu)良的耐高溫性能，用做超高大樓的耐火骨架，可以使大樓在發(fā)生意外火災(zāi)而導(dǎo)致樓體溫度較高時保持原有的承重能力，保證大樓的安全，減少人員和財(cái)產(chǎn)的損失。

5.化學(xué)工程、船舶的耐蝕高強(qiáng)度材料

高熵合金的耐蝕性優(yōu)異。室溫條件下，高熵合金 Cu 0.5 NiAlCoCrFeSi 在1mol/L 的 NaCl 和 0.5mol/L 的 H 2 SO 4溶液中的耐蝕性比 304 不銹鋼（相當(dāng)于我國鋼號中的 OCr 18 Ni 9 ）還要好；CuAlNiCrTiSi 合金在 5% 的 HCl 溶液中比304 不銹鋼更加耐蝕，在 10% 的 NaOH溶液中也遠(yuǎn)比A309鋁合金耐蝕。因此，高熵合金可廣泛用于耐高壓、耐腐蝕化工容器及船舶上的高強(qiáng)度耐蝕件。

6.渦輪葉片

高熵合金良好的塑性使其易于制成渦輪葉片，而其優(yōu)良的耐蝕性、耐磨性、高加工硬化率及耐高溫性能，可保證渦輪葉片長期、穩(wěn)定地工作，提高服役安全性，減少葉片的磨損、腐蝕失效。

7.電子器件、通訊領(lǐng)域

高熵合金具有軟磁性及高電阻率，因而在高頻通訊器件中有很大的應(yīng)用潛力?？捎靡灾谱鞲哳l變壓器、馬達(dá)的磁芯、磁屏蔽、磁頭、磁碟、磁光碟、高頻軟磁薄膜以及喇叭等。

8.其它

高熵合金集眾多優(yōu)異性能于一身，可以應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域非常廣闊。除了上面提到的領(lǐng)域外，高熵合金還可用作焊接材料、熱交換器及高溫爐的材料等。高熵合金的非晶形成能力較強(qiáng)，某些高熵合金能在鑄態(tài)組織中形成非晶相。而傳統(tǒng)合金要獲得非晶組織，需要極大的冷卻速度將液態(tài)原子無規(guī)則分布的組織保留到室溫。非晶態(tài)金屬的研究是近年來才興起的，由于結(jié)構(gòu)中無位錯，具有很高的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、耐蝕性及特殊的磁學(xué)性能等，應(yīng)用也極為廣泛。制備非晶態(tài)高熵合金無疑將進(jìn)一步擴(kuò)大高熵合金的應(yīng)用領(lǐng)域。

三、高熵合金的研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外學(xué)者對高熵合金的研究，主要集中在制備方法的研究，并且針對具體合金系，研究元素含量對合金組織、性能的影響。研究對象主要是在Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和 Zn 等元素中選配的 5 ～ 8 元合金；所研究的性能主要是常規(guī)力學(xué)性能，如硬度、抗壓強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性等，其它性能研究相對較少，數(shù)據(jù)不多。微觀機(jī)理方面的研究尚未真正展開，僅清華大學(xué)和北京科技大學(xué)的學(xué)者做了少量探索。從研究成果來看，目前還是臺灣清華大學(xué)的研究處于領(lǐng)先地位，已有多項(xiàng)發(fā)明專利。高熵合金的應(yīng)用潛力巨大，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。但是，高熵合金的各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)基本還處于試驗(yàn)室階段，尚未真正進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，還未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。這一方面是因?yàn)樵擃I(lǐng)域的相關(guān)研究剛剛起步，很多人對此類合金還不了解 ；另一方面是有關(guān)此類合金的數(shù)據(jù)非常少，數(shù)據(jù)重復(fù)性不夠高。以五元等摩爾比高熵合金AlCrCuFeNi的組織為例，同樣采用真空電弧爐熔煉，AlCrCuFeNi合金組織分為圖 1 和圖 2；沈陽某公司生產(chǎn)的真空電弧爐重復(fù)熔煉 4 次制得AlCrCuFeNi 紐扣試樣，其顯微組織如圖3 所示。不難看出，不同研究者利用相同方法制備所得的 AlCrCuFeNi 合金組織存在一定的差異，未能實(shí)現(xiàn)較高的重現(xiàn)性。而一種材料實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基本前提是通過某種制備方法能夠制出組織、性能穩(wěn)定的材料。

圖1

圖2

圖3

目前文獻(xiàn)所報道的用于實(shí)驗(yàn)研究的高熵合金，無論采用哪種方法制備，試樣都很小，一般只有幾十克。因此，排除儀器誤差之外，配制合金時稱量原材料的微小誤差、制備過程中的少量原材料損耗、所用原材料的純度不同，都可能導(dǎo)致實(shí)際所得合金成分偏離設(shè)計(jì)成分遠(yuǎn)。高熵合金的組織、性能特點(diǎn)是由其高混合熵所決定的，等摩爾比合金的混合熵高于非等摩爾比合金的混合熵，且合金的組織與性能可能對某些元素較為敏感。因此，要使高熵合金的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真正應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域，還需提高配樣精度，提高數(shù)據(jù)的重復(fù)再現(xiàn)性。對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示性能優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)性良好的高熵合金，可以熔制大塊試樣，再檢測相應(yīng)的性能，獲得真正可以用到實(shí)際生產(chǎn)的參考數(shù)據(jù)。

國內(nèi)僅有的幾個已獲批準(zhǔn)的高熵合金相關(guān)的專利，是制備方法方面的，所獲得的高熵合金同樣存在試樣較小的問題。

四、結(jié)語

高熵合金是一個全新的合金領(lǐng)域，它跳出了傳統(tǒng)合金的設(shè)計(jì)框架，是具有許多優(yōu)異性能的、特殊合金系，調(diào)整其成分可以進(jìn)一步優(yōu)化性能，因而具有極為廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)有關(guān)高熵合金的研究才剛剛起步，雖然有不少研究者開始關(guān)注此類合金的研究，但相關(guān)數(shù)據(jù)尚屬實(shí)驗(yàn)室階段，未真正進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。若某一具體的高熵合金能夠獲得穩(wěn)定、可靠、具有工業(yè)參考價值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將真正、快速地推動高熵合金的研究和應(yīng)用，在工業(yè)應(yīng)用的各個領(lǐng)域?qū)⒛芸匆姼哽睾辖鸬纳碛啊?/span>