1、前言

 

多主元素合金（MPEAs）和高熵合金（HEAs）的首次成果出現在同一年。在 1970 年代后期，MPEAs 的最初是本科畢業論文，隨后于 1998 年又開設了另一個本科項目，最后，在 2002 年的一次會議上發布。在 1996 年，HEA 內容發表了一系列論文，隨后又出版了 5篇文章。最后，“高熵合金”和“多主元素合金”術語統一為 MPEAs。

除了這些出版物之外，還有三項研究也值得說一說。第一篇論文報告了相同質量分數的達 7 種金屬元素混合物的基本性質（硬度，密度等）。從 11 種不同元素中抽取出 900 多種合金。第二篇論文將 MPEA 概念應用于金屬玻璃。論文使用已知金屬玻璃合金中化學相似元素的等摩爾取代。這是第一本介紹MPEAs提供的廣泛組合空間概念的作品。這也是第一次關于該主題的實驗結果的出版論文。第三篇是 2003 年發表的沒有給出任何結果，但提供了對 HEA 概念的雄辯和令人回味的介紹。這些概念當時正在出版，并于次年初出版，這對HEA 領域也很重要。

1.1 高熵合金的定義

 

（1）成分定義

 

最早的論文將 HEAs 定義為“由等摩爾比的五個或更多元素組成的合金”。

等摩爾濃度的要求是“每個元素的濃度在 5-35.％之間元素。”因此，HEAs 不必是等摩爾的，這顯著增加高熵合金的數量。HEA 還可能包含微量元素，以改善 HEA 的屬性，擴展 HEA 的數量。這種組合物僅規定了元素濃度，對熵的大小沒有限制。

（2）高熵定義

 

“高熵”是基于熵值的大小定義。因此，定義低等（SSS，理想 <0.69R，其中 SSS 理想值是理想 SS 中的總配置摩爾熵，R 是氣體常數），中等（0.69R<SSS，理想 <1.61R）和高等（SSS，理想 >1.61R）熵合金。玻爾茲曼方程給出了一種用理想合金成分，估算 SSS的簡單方法。但是它要求原子占據隨機晶格位置，這在金屬溶液中很少；它還定義合金具有單一的熵值，實際上合金的熵值會隨溫度變化。為了解決這些問題，基于合金的熵的定義可以由“液體溶液和高溫固溶體狀態表示，其中熱能足夠高以使不同元素在結構內具有隨機位置”。然而，即使二元金屬液體，在熔化溫度下通常也沒有隨機原子位置。因此熵值分類的依據還有一些問題。

1.2 高熵合金的四個核心效應

 

（1）高熵效應

 

高熵效應是 HEA 的標志性概念。比較理想的形成熵與純金屬的焓（選定 IM化合物的形成焓）可以得知，在具有 5個或更多元素的近等摩爾合金中，其更有利于形成 SS 相而不是 IM 化合物。這時不考慮特殊組合，僅熵和焓的高低來分析常規的 SS 相和 IM 相。熵值也只考慮生成熵。雖然振動、電子和磁性也影響其熵值，但是最主要的因素仍然是合金的結構。

（2）晶格畸變

 

嚴重的晶格畸變是因為高熵相中的不同原子尺寸導致的。每個晶格位置的位移，取決于占據該位置的原子和局部環境中的原子類型。這些畸變比傳統合金嚴重的多。這些變原子位置的不確定性導致合金的形成焓較高。雖然在物理上，這可以降低 X射線衍射峰的強度，增加硬度，降低電導率，降低合金的溫度依賴性。但是，仍然缺少系統的實驗來定量描述這些性能的變化值是多少。例如，組成原子之間的剪切模量不匹配，也可能有助于硬化；局部鍵的變化也可能改變電導率、熱導率和相關的電子結構。

（3）緩慢的擴散特點

 

在 HEAs 中，擴散是緩慢的。這可以在納米晶和非晶合金的形成和其顯微結構中觀察到。

（4）“雞尾酒”效應

 

首次“雞尾酒”效應是 S. Ranganathan 教授使用的短語。最初的意圖是“一種愉快，愉快的混合物”。后來，它意味著一種協同混合物，最終結果是不可預測，且大于各部分的總和。這個短語描述了三種不同的合金類別：大塊金屬玻璃、超彈性和超塑性金屬以及HEAs。這些合金都是多主元素合金。“雞尾酒”效應表征了無定形大塊金屬玻璃的結構和功能特性。

與其他“核心效應”不同，“雞尾酒”效應不是假設，也不需要證明。“雞尾酒效應”的意思是特殊的材料特性，通常源于意想不到的協同作用。其他材料也可以這樣描述，包括物理性質，例如接近零的熱膨脹系數或催化響應；功能特性，如熱電響應或光電轉換、有超高強度，良好的斷裂韌性；抗疲勞性或延展性等結構特性。這時材料的性質主要依賴材料成分，微觀結構，電子結構和其他特征。“雞尾酒”效應揭示 MPEAs 的多元素組成和特殊的微觀結構，進而產生非線性的意外結果。

2、高熵合金的熱力學特征

 

2.1 固溶體的熵和焓

 

固溶體（SS）相的吉布斯能表示為 G ss =H ss -T（S ss ）。在理想熔液中 H SS =0，但是實際上 H SS 通常含有較小的值。當H SS >0 時，非隨機分布的原子呈現相分離的趨勢；當 H SS <0 時，表現出化學短程有序（SRO）。

圖1（a）700 K時，Co-Ni合金在常規熔液的熵、焓和吉布斯能量圖；（b）700 K

時，Ce-Ni合金在亞常規熔液的熵、焓和吉布斯能量圖

 

HEA 合金中最穩定的溶液出現在等摩爾組分中，但對于亞常規溶液來說卻不一定。考慮常規（圖 1a）和亞常規（圖1b）固溶體的代表性熱力學函數。圖 1a 中最穩定的組合物是等摩爾組合物，但在圖 1b 中它是 x B =0.55。HSS 曲線中的不對稱程度較小，也更明顯。分析表明 H SS 中的最小值，可以出現在 x B =0.50±0.10 范圍內。 由于亞常規溶液最常見的，因此最穩定的固體溶液通常可從等摩爾組合物中置換出來。

 

2.2 金屬間相的熵和焓

 

金屬間相（IM）的吉布斯能 G IM =H IM -TS IM ，其中 H IM 和 S IM是 IM 相的摩爾生成焓和熵。SS 和 IM 相的結構不同，因此相同成分和結構的熵值也是不同。圖 2 是 SS 和 IM 晶體結構示意圖。由圖 2 可知，IM 相的熵值很小，每個晶格只有一個元素，但是多主元合金的一個晶格位點，通常是多種元素隨機分布，顯著增加了熵值。

圖2 （a）二元有序晶體示意圖；（b）多主元晶體示意圖。

 

3 高熵合金的分類

 

3.1 高熵合金的主要元素

 

本文統計了 480 種合金，使用了 37 種元素，如圖 3 所示。包括 1 種堿金屬（Li）；2 種堿土金屬（Be，Mg）；22 種過渡金 屬（Ag，Au，Co，Cr，Cu，Fe，Hf，Mn，Mo，Nb，Ni，Pd，Rh，Ru，Sc，Ta，Ti，V，W，Y，Zn，Zr）；2 種基本金屬（Al，Sn）；6 種鑭系元素（Dy，Gd，Lu，Nd，Tb，Tm）；3 種類金屬（B，Ge，Si）和1 種非金屬（C）。Al，Co，Cr，Cu，Fe，Mn，Ni 和 Ti 這幾種元素出現在 100 多種合金中，其中四種元素（Co，Cr，Fe，Ni）各在高熵合金中的比例高達70％以上。另外，難熔元素（Mo，Nb，V，Zr）在高熵合金中也屬于常見元素。本文中的高熵合金平均含有 5.6 種元素。

圖3 多主元合金（MPEAs）中408元素的使用頻率圖

 

圖4 ：7個合金系列中的組成元素圖

3.2 高熵合金的體系

 

本文中統計的 408 種 MPEAs 可分為 7 個合金系列，如圖 4 所示。包括 3d過渡金屬 CCA，難熔金屬 CCA，輕金屬CCA，鑭系元素（4f）過渡金屬 CCA，CCA 黃銅和青銅，貴金屬 CCA 和間隙化合物（硼化物，碳化物和氮化物）CCA。

4、高熵合金的顯微結構

 

4.1 相的定義和分類

 

沒有晶體結構的相稱為非晶態或玻璃態。盡管原子在無定形結構中是無序的，但在本工作中它并不被稱為無序，以避免與無序的結晶固溶體相混淆。具有兩個或更多化學上不同的亞晶格，具有化學 LRO 相定義為有序或金屬間（IM）或化合物。在這項工作中，LRO 僅涉及子晶格上的化學排序，而不涉及平移和/ 或旋轉對稱。IM 相由 AxBy 表示，也由 Strukturbericht 表示，Pearson 符號或通用名稱（如Laves或sigma）和原型化合物。具有單晶格的合金元素的相描述為無序固溶體（SS）。SS 相中可能存在或不存在 SRO。SS 相通過原子填充方案（FCC，BCC，HCP）或 Strukturbericht 描述更復雜的結構。簡單相和復雜相的區別僅限于晶體結構，對性能沒有任何影響。

最近，對微觀結構的分類方法與上述相同。具有一種或多種無序固溶體的微結構稱為 SS 微結構或合金；具有一一種或多種金屬間相的微結構稱為 IM微結構或合金；具有無序固溶體和金屬間相混合物的微觀結構稱為（SS+IM）微結構或合金。CCA 不限于 SS 相或單相微結構，可以具有任何含量的 SS 或IM 相，或 SS 和 IM 相的混合物。另一類HEAs- 金屬玻璃 - 具有亞穩態非晶結構，可通過快速凝固或機械合金化獲得。

4.2 相的觀察

 

本文統計了 23 種結晶相。晶體結構主要通過 Strukturbericht 表示法列出。例 如：A1 結 構（Pearson 符 號 cF4，Cu原 型）， 列 為 FCC；A2 結 構（Pearson符號 cI2，W 原型），標記為 BCC；A3結構（Pearson 符號 hP2，Mg 原型），以HCP 給出；σ 用于表示 D8b 晶體結構（Pearson 符號 tP30，σ-CrFe 原型）。CCA晶體結構：A5（tI4，β-Sn）；A9（hP4，石墨）；A12（cI58，α-Mn）；B2（cP2，ClCs，AlNi）；C14（六角Laves相）（hP12，MgZn 2 ，Fe 2 Ti）；C15（ 立 方 Laves 相）（cF24，Cu 2 Mg）；C16（tI12，Al2Cu）；D0 2 （cF16，BiF 3 ，Li 2 MgSn）；DO11（oP16，Ni3Si）；D0 22 （tI8，Al 3 Ti）；D0 24 （hP16，Ni 3 Ti）；D2b（tI26，Mn 12 Th，AlFe 3 Zr）；D 85 （hR13，Fe 7 W 6 ，Co-Mo 和 Fe-Mo）；D8 m （tI32，W 5 Si 3 ，Mo 5 Si 3 ）；E9 3 （cF96，Fe 3 W 3 C，Fe-Ti）；L 10 （tP2，AuCu）；L 12（cP4，AuCu3）；和 L 21 （Heusler）（cF16，AlCu 2 Mn）。其中，NiTi 2 （cF96）找不到Strukturbericht 表示法。至少一個超晶格峰未確定的相被列為 IM，并且未識別的相被列為 Unk（未知）。該列表包括 6 種無序晶體結構（BCC FCC，HCP，A5，A9，A12）。

到目前為止，最常見的相是無序FCC （在410種合金出現465次）和BCC （在306 種合金中出現 357 次），其次是有序的 IM 相 B2（在 175 種合金中發生 177次），σ（在 60 種合金中出現 60 次）和六角形 Laves 相 C14（在 50 種合金中出現 50 次），如圖 5 所示。HCP 相僅出現在 7 種合金中。通過 BCC，FCC 或HCP 相出現的次數，FCC 相在微結構中出現的總次數為 56％。BCC 階段略不常見（43％），HCP 階段占 BCC，FCC 或HCP 階段報告次數的 1％。7 個 HCP 相中有 6 個屬于三個不同的合金系列（輕金屬，4f 過渡金屬和“其他”CCA）。這些合金系列之間沒有共同的元素，這表明仍有很多機會發現具有 HCP 晶體結構的新 CCA。

圖5： 微觀結構的648種相出現次數的柱狀圖

4.3 相的計算

 

雖然有許多方法用來計算 SS 相，但是應用最多的還是經驗方法。本文分析了經驗方法、熱力學模型和原子方法對 SS 相的預測。

（1）經驗方法

 

Hume-Rothery 規則計算 SS 相的形成時，需要考慮的因素有原子尺寸（δr）、晶體結構、電負性（δr）、電子濃度（VCE）和化合價，及熱力學條件：混合焓（H SS ）、混合熵（S SS ）和熔化溫度（T m ）。其計算公式如下：

 

其中，r i 、χ i 、VEC i 和 T m,i 分別是原子半徑、電負性、價電子濃度和元素 i 的熔點；c i 和c j 是原子i和j的原子百分比；r（-）= ∑ c i r i 和 χ（-）= ∑ c i χ i 是平均原子半徑和平均電負性；Hij 是在常規二元溶液中等摩爾濃度下元素i和j的混合焓。

預測 HEA 中 SS 或 IM 相的大多數經驗方法，使用 δr 和 H SS 或 Ω。原子尺寸不匹配和 H SS 是無定形（AM）合金的眾所周知的經驗標準。這些參數將 HEA中的 SS 和 AM 相分開，但 IM 相與這兩個場重疊，如圖 6 所示。后來嘗試結合H SS ，S S S 和 T m ，分離 SS 和 IM 相。這項結果略好于 δr 與 H SS 的相關性，但仍然可以看到重疊（圖 6b）。能夠分離SS 和 AM 相使因為它們屬于的無序溶液相。

圖6 ：分離SS、IM、（SS+IM）和非晶（AM）相區的經驗相關性：（a）δr與H SS 的經驗相關性；（b）δr與Ω

 

的經驗相關性圖。

 

（2）熱力學模型

 

雖然在不考慮 IM 相的吉布斯能量時，可以通過合金元素數量和濃度建立方程，獲得吉布斯能量。這種方法的最大優點是簡單。但是通過形成熵和金屬間相形成焓之間，建模能夠區分單相 SS合金和包含 IM 相的合金。另一種思路是獲得多組分的合金相圖。目前最可靠的方法是 CALPHAD。通過 CALDPHAD 計算生成的含有 3-6 種元素的 130000 多種不同等摩爾合金的相圖，用來分析相結構。分析表明，隨著合金成分數N的增加，形成 SS 合金的可能性降低。對于最可靠的計算（f AB =1），在 Tm 和 600℃下，對于任何 f AB 值的計算都發現了相同的趨勢。在 CALPHAD 計算中，未統一使用元素，因為某些元素在熱力學數據庫中比其他元素更多。例如，Al 和 Cr 在每個使用的數據庫中；除了一個數據庫外，Fe，Mo，Si，Ti 和 Zr 也都在；除了2 個數據庫之外，Ni 和 Ni 都在。元素Dy，Gd，Lu，Rh，Ru，Sc，Tm 和 Y 各自僅出現在 1 或 2 個數據庫中。這種偏差在 f AB =1 數據集中被放大，因為熱力學描述通常僅適用于更常用的元素。圖7 中的 CALPHAD 數據集，顯示了使用每種元素的計算合金的百分比。實驗合金中元素用量的偏差更大。由于這些偏差，計算的 BCC，FCC 和 HCP 相，對于兩個公開的 CALPHAD 是不同的。計算的 BCC，FCC 和 HCP 相的頻率，作為計算數據集中 BCC，FCC 和 HCP 相總百分比，對于f AB 是BCC（65％），FCC（29％）和 HCP（6％）=1 并且對于 f AB = 全部是BCC（62％），FCC（12％）和HCP（26％）。

圖7：在實驗和兩個CALPHAD中元素的使用頻率圖

5、高熵合金的性能

 

5.1 高熵合金的功能性

 

在 AlxCoCrFeNi（0 ≤ x ≤ 2） 和Al x CrFe 1.5 MnNi 0.5 Moy（x=0.3，0.5，y=0，0.1）合金體系中，在 1273 K 下，對合金退火、水淬和鑄態條件下的導熱系數進行研究。在 293-573K 時，合金的熱導率和熱擴散率值隨著溫度的增加而增加，分別在 10-27Wm -1 K -1 和 2.8-3.5mm -2 s -1的范圍內。這些值低于純金屬，但接近合金鋼和超鎳合金。這現象與純金屬相反，與不銹鋼相似。單相 FCC 合金（低Al 含量）幾乎是單相 BCC 合金（高 Al含量）的導熱率一半。在單相區域內，熱導率隨著 Al 含量的增加而降低。這些行為是因為晶格畸變和高溫下晶格熱膨脹導致。

Al x CoCrFeNi 合金的電阻率通常為100-200μΩ-cm（0 ≤ x ≤ 2）。這些合金中的電阻率隨溫度呈線性增加。合金結構隨著 Al 含量的提高，從 FCC 轉變為 BCC+FCC，再轉到 BCC，導致電阻率的呈現非線性變化。實驗數據表明 BCC 和 FCC 相的電阻率符合線性關系 ρBCC=107+1.43（C A1 ）；ρFCC=107+5.50（C A1 ）；其中 cAl 是各相中的Al 濃度，單位為％；如圖 8 所示。在相同組成下，FCC 相的電阻率高于 BCC 相的電阻率，兩相場中的電阻率遵循 BCC和 FCC 相的體積分數的線性平均值。

圖8 在400K時，Al x CoCrFeNi合金的電阻率隨Al含量的

變化圖

 

幾乎所有的磁性合金（CCAs）都含有 Co，Fe 和 Ni。CoFeNi 是一種具有FCC 晶體結構的單相 SS 合金，具有鐵磁性，飽和磁化強度（M s ）為 151emu/g。純 Fe 的 M s 為 218emu/g，純 Ni 的 M s 為55emu/g。FCC 結構轉化為 FCC+BCC/B2， 在 AlxCoFeNi 中 添 加 Al， 或 在CoFeNiSi x 中 添 加 到 FCC+ 硅 化 物。 所有合金都是鐵磁性的，當 Al 從 x=0 增加到 1 時，M s 減小到 102emu/g，或者當 Si 從 x=0 增加到 0.75 時，M s 減小到80.5emu/g。磁致伸縮效應非常小，這對于確保材料在外部磁場中不受應力是必要的。在（AlSi）x CoFeNi （0≤x≤0.8）中加入 Al 和 Si，x=0.2 時的性能得到Ms，矯頑力，電阻率，屈服強度和無斷裂應變，使合金成為有吸引力的軟磁材料。在均質 Al x CoCrFeNi（0 ≤ x ≤ 2）合金中向 CoFeNi 中添加 Al 和 Cr，在 5K 和 50K 時具有鐵磁性，但由于合金相的變化，在 300K 時具有順磁性。

圖9： 在FCC不銹鋼合金和CoCrFeMn 0.5 Ni合金中，Ni（DNi）的擴散系數：（a）反向溫度函數的擴散系數，

 

（b）反向通過主體合金熔點的擴散系數歸一化圖。

 

5.2 高熵合金的擴散性能

 

緩慢擴散是高熵合金（HEA）“核心效應”之一。AlxCoCrCuFeNi 合金在鑄態時形成納米晶，退火后納米晶體發生緩慢擴散。但是，Al 0.5 CoCrCuFeNi 合金爐冷后，卻沒有低溫相的形成。目前，AlMoNbSiTaTiVZr 是 比 TaN/TiN（ 或 Ru/TaN）更好的擴散阻擋層。這是兩種擴散假說。在這些研究中，HEA 都含有 1 至5 種難熔金屬，每種金屬的 Tm>2100K，熱暴露時，處于相當低的溫度和短時間（<1 分鐘至 5 小時），極大地限制了質量傳遞。使用普通合金作為基準，在接近熔化溫度（T m ）85％的溫度下，納米尺寸的沉淀物在超合金中能夠存在數十或數百小時。雖然上面引用的間接觀察結果與慢動力學一致，但與傳統合金相比，HEAs 合金中的擴散速度更慢。

復雜性使擴散測量變得困難。實驗獲得的 MPEAs 擴散數據，如圖 9 所示。在相同溫度下，CoCrFeMn 0.5 Ni 中的擴散系數高于傳統合金。例如，Ni（DNi）在 CoCrFeMn 0.5 Ni，Fe-15Cr-20Ni 不 銹鋼中的擴散系數和純鐵在 1173 K 分別為 14.3×10 -18 m 2 /s，6.56×10 -18 m 2 /s和 3.12×10 -18 m 2 /s，在 1323K（最高測量溫度）為 5.74×10 -16 m 2 /s，分別為2.15×10 -16 m 2 /s 和 1.2×10 -16 m 2 /s。到873K，其中擴散通常被認為是阻止的，這些材料的 DNi 分別為 2.0×10 -22 m 2 /s，1.7×10 -22 m 2 /s 和 0.49×10 -22 m 2 /s。表明，在相同 873-1323K 溫度下，CoCrFeMn 0.5 Ni 合金中的 DNi 高于奧氏體鋼和純金屬。

5.3 高熵合金的機械性能

 

機械性能很大程度上取決于合金的成分和微觀結構。原子的彈性相互作用，影響合金中的錯位行為。合金的相和相體積分數，決定合金的性能。在固定的組成和相含量下，也可以通過改變相的尺寸，形狀和分布，改善性能。缺陷也在機械性能中起主要作用。原子級缺陷主要有空位，位錯和晶界，微觀或宏觀缺陷包括孔隙，化學偏析，裂縫和殘余應力。

3d 過渡金屬 MPEAs 的硬度研究發現，Al x CoCrCuFeNi 合金從單相 FCC 結構轉變為 BCC+FCC，再轉變為單相 BCC，其硬度隨 Al 含量的增加而增加。在鑄態和均質條件下，AlxCoCrFeNi合金表現出類似的性能。單相 FCC 合金的維氏硬度在 100-200Hv 之間，單相 BCC 合金的硬度 >600Hv，BCC+FCC 合金的硬度值隨著 BCC 含量的增加。透射電子顯微鏡（TEM）研究表明，Al x CoCrCuFeNi 合金為有 BCC 和 B2 相的混合結構。BCC 和B2相之間的高密度界面，有助于提高含Al合金的硬度。據報道，硬度隨著 BCC+B2 相體積分數的增加而增加。

3d 過渡金屬 MPEAs 的壓縮試驗研究發現，幾乎所有的合金都包括 CoCrFeNi，且添加少量的 Mo，Nd，Si，V，Y，Zn 和Zr。壓縮樣品通常通過鑄造或粉末冶金獲得。其微觀結構顯示出樹枝狀，即使在退火后，合金仍具有 1-2％的孔隙率。BCC和 FCC 相的微觀結構占主導地位。在 BCC 和 / 或 B2 相的合金中，壓縮屈服強度較高，在 1300-2400 MPa 的壓力范圍內，可高達 3300MPa。但是，延展性通常低于 10％，這是結構材料的實際最小值。

圖10 ：3d過渡金屬CCA的拉伸數據：（a）屈服強度σy，（b）極限強度σut，

 

（c）拉伸延展性ε。（d）ln（σy）對1000/T說明延伸率圖。

 

3d 過 渡 金 屬 MPEAs 的 拉 伸 試 驗 研 究 發 現， 常 見 的CoCrFeMnNi 合金的晶粒尺寸和應變率是影響拉伸性能的主要因素。CoCrFeMnNi 合金微觀結構是單相 FCC 固溶體，富含 Cr或富 Mn 的第二相顆粒，通常含有退火孿晶。隨著溫度的升高，屈服強度（σ y ）和最終（σ uts ）強度都會持續下降，如圖 10所示。在 77-300 K 時，強度下降最快，在 300-800 K 時，強度下降緩慢。在高溫度下，這種現象效果更明顯。在 900 K 時，拉伸延展性 ε 7 隨著溫度降低增加。

圖11：（a）壓縮實驗中，屈服強度σy的溫度依賴性圖，（b）難混溶CCA的合

 

金密度ρ與σy的標準化圖。

 

難混溶合金 CCA 的研究沒有 MPEAs 那么成熟，如圖 11 所示。難混溶CCA合金研究的目的是延長結構金屬的使用溫度。圖 11 顯示了普通超合金的 σ y ，以實現延長結構金屬的使用溫度。Haynes ? 230 ? （Co 4 Cr 27 Fe 3 Mo 1 Ni 60 W 5 ） 是用于靜電板件的 SS合金，INCONEL ? 718（（Al，Nb，Ti） 5 Co 1 Cr 21 Fe 19 Mo 2 Ni 52 ）是沉淀強化合金，廣泛用于燃氣輪機行業的旋轉盤，MAR-M247 （Al 12 Co 10 Cr 10 Hf 1 Ni 62 Ta 1 Ti 1 W 3 ）用于渦輪葉片。但是難混溶 CCA長處于壓縮態，而超合金處于拉伸狀態，所以難混溶 CCA 和超合金之間的僅強度直接比較是不合適的。此外，高溫合金滿足高溫應用的廣泛要求，包括拉伸延展性，斷裂韌性，抗氧化性，蠕變強度，疲勞強度和可加工性。這些其他特性尚未在耐火 CCA 中得到證實，卻是未來的研究方向。

6、高熵合金的設計和應用

 

6.1 高熵合金的結構應用

 

3d 過渡金屬 CCA 與商用不銹鋼及鎳合金之間的存在成分重疊。盡管許多商業合金不滿足 HEA 定義，但它們仍然含有 3種或更多主要元素體現了 CCA 的性能。這支持了傳統合金是3d 過渡金屬 MPEAs 的結論，為 3d 過渡金屬 CCA 的應用提供了新視角。通過了解 CCA 金屬與商業合金性能的差距，可以找到機會改變這類合金性能。FCC 單相固溶體（SS）相場的范圍比奧氏體鎳和不銹鋼更寬。MPEA 還可以從商業合金中學習，關于非等摩爾組合物的影響，例如：微量合金添加劑如 C，N，Si，Mo，Nb和Ta對微觀結構和性能的影響，以及變形加工的作用。

難熔金屬 CCA 可以設計為超鎳合金。目前，雖然難熔金屬CCA 的應用研究較少，但是以實現輕載靜電部件，例如：熱保護板、渦輪葉片和盤。難熔金屬 CCA 具有操作應力和溫度的潛能。但是沒有可拉伸性能驗證，且還有許多性能需要測試。

6.2 高熵合金的功能性應用

 

MPEA 合金的功能性研究遠少于結構性能。目前 CCA 的功能性應用，包括 MPEA 氮化物和硼化物或者貴金屬 CCA。MPEA 氮化物和硼化物的應用方向是耐磨涂層和擴展阻擋層。目前，關于耐磨涂層和擴展阻擋層的性能研究還不完善。MPEA 合金的合成元素具有獨特熱、電和磁學性能，這為開發其功能性應用提供了基礎。貴金屬 CCA 的催化性能，例如：催化轉換器、水分解、燃料電池陽極催化、牙科合金和記憶存儲設備等。

7、結論與展望

 

高熵合金的種類繁多，其顯微結構和性能具有很高的研究價值。高熵效應是調控其顯微組織和結構的主要因素。

目前這一領域的關注點已經從 3d 過渡金屬 MPEAs，發展到了 7 個合金系列。每個合金系列包括 6-7 元素，已經產生了超過 408 種新合金。在這 408 種合金中含有648 種不同的微觀結構。研究發現，合金元素數量和加工條件對其顯微結構有顯著的影響。不同結構的高熵合金，呈現出不同的結構性能和功能特點。雖然高熵合金的性能研究，仍處于起步階段，但是其獨特的結構和廣泛合金種類，為其結構化應用和功能化應用提供了基礎。

文 獻 鏈 接：A critical review of high entropy alloysand related concepts（Acta Materialia, 2018, DOI:10.1016/j.actamat.2016.08.081）。