未来材料之王—高熵合金
高熵合金（high-entropy alloys, HEAs）是叶均蔚教授课题组在20世纪90年代研究多组元非晶合金时于“Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: novel alloy design concept sandoutcomes”中首次正式提出的概念。
此类新型合金材料通常由五种或以上主元素构成，每种元素原子占比为5~35%。经过深入研究，学者们发现上述定义并不能准确涵盖高熵合金的特点，因此以熔融状态下或高温完全互溶状态时的混合熵为标准对定义作出了修正。
当混合熵达到1.5 R时，合金中才可能形成稳定的固溶体相。合金的混合熵大于1.5 R时可被称作高熵合金，混合熵介于1~1.5 R时称作中熵合金，混合熵低于1 R时称作低熵合金。
也有学者认为，高熵合金的定义可拓展为：由多种元素构成的合金体系。目前已经发现大量的高熵合金体系，已使用的元素高达37个，接近元素周期表中72种候选元素的1/2（惰性气体、卤族元素和放射性元素除外）。
图1 普通金属与高熵合金的结构差异示意图
在结构上高熵合金表现为简单的固溶体，如面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和密排六方（HCP）结构等，其中FCC高熵合金通常由Fe、Co、Cr、Ni和Mo等元素构成，BCC高熵合金由Ti、Cr、Hf、Mo和Nb等元素构成。有研究表明，采用价电子浓度（VEC）可预测合金中的固溶体类型，VEC≥8时易形成FCC固溶体，6.87＜VEC＜8时FCC与BCC固溶体共存，VEC≤6.87时易形成BCC固溶体。近年来，高熵合金中的相图都是采用CALPHAD方法计算得出，获得不同元素含量对有序无序转变温度的影响，再根据相图计算挑选所需的合金成分。根据第一性原理和分子动力学建立高熵合金的模型，通过机器学习对合金成分进行设计，筛选出具有优异性能的高熵合金。
图2 通过CALPHAD计算具有有序无序转变的AlCrTiV高熵合金相图—元素含量变化对有序无序转变的影响：（a）Al元素，（b）Cr元素，（c）Al和Cr元素，（d）Ti元素
图3 不同相结构的高熵合金室温力学性能（粉色区域为传统合金）
确认合金成分后，采用常见的电弧熔炼法、机械合金化法、激光熔覆法等可制备出高熵合金块体、粉末和涂层等。最泛用的电弧熔炼法是快速制备非晶合金的方法，只能制备小型的高熵合金试样。采用机械合金化法制备的高熵合金，可通过控制烧结参数来调控合金块体结构。激光熔覆法是用于制造金属部件的三维打印技术，是制备高熵合金涂层的主要方法之一，也可用于制备具有多种几何形状和功能的高熵合金材料和部件。制备出的高熵合金与传统合金相比具有更优异的力学性能，且合金的断裂、变形机制也有相似之处，可根据传统合金的设计理念来调控高熵合金的特性，以获得更高强度、延展性强的合金。
高熵合金表现出的优异合金性能，归因于其四大核心效应：
1）高熵效应：合金具有高的构型熵，能简化微观组织，抑制化合物的形成，使得系统的自用能降低，进而提高单一固溶相的热稳定性；
2）晶格畸变效应：各种合金元素之间原子尺寸的差异引起严重的晶格扭曲畸变，阻碍位错运动，使合金具有优异的物理、化学性能；
3）迟滞扩散效应：各种合金元素原子间相互作用较强, 具有较低的原子扩散速率。合金中析出相形核后不易生长，有利于形成纳米尺寸的第二相，提高了合金强度和耐蚀性；
4）“鸡尾酒”效应：最初由S. Ranganathan教授提出，是其中多种元素的本生特性和相互作用下呈现的复杂效应，多种元素混合后形成的合金会表现出其中任意一种元素纯金属所不具备的性能。通过调整合金组成和配比，可有效定制高熵合金的综合性能。
高熵合金的多元特性使其在变形过程中表现出多重机制，在力学性能、热稳定性能、耐蚀性能和磁学性能等方面具有优异表现。多组元高熵合金有成千上万个合金系统，在航空航天、电子化工和核反应堆等领域有巨大应用潜力。以AlCoCrFeNi2.1为代表的共晶高熵合金得益于其优异的铸造成型性能、力学性能和耐蚀性，是最具规模化工业应用前景的一类高熵合金。
目前，国内外针对高熵合金的研究主要聚焦于理论性研究，在装备领域的工业化应用仍处于起步阶段，开发出低成本的高熵合金产品是未来工业化应用的关键。高熵合金不仅开拓了新型合金的开发空间，也为突破传统合金性能的极限提供可能，或将开启新一轮的材料革命！
《Acta Materialia》 一种具有多个共格界面的新型双相软磁高熵合金
大连理工大学 《Acta Materialia》 卢一平教授团队：相图计算辅助设计难溶高熵合金的优异稳定性和机械性能
中材电镜中心||论文解读第九期：添加Ni在AlCoCrFeTi0.5高熵合金中实现双相结构和改善机械性能
参考文献：
[1] Yeh J W, Chen S K, Lin S J, et al. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: novel alloy design concepts and outcomes[J]. Advanced Engineering Materials, 2004, 6: 299-303.
[2] Cantor B, Chang I T H, Knight P, et al. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys[J]. Materials Science and Engineering: A, 2004, 375: 213-218.
[3] Yeh J W. Alloy design strategies and future trends in high-entropy alloys[J]. JOM: The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society, 2013, 65(12): 1759-1771.
[4] Li Z, Körmann F, Grabowski B, et al. Ab initio assisted design of quinary dual-phase high-entropy alloys with transformation-induced plasticity[J]. Acta Materialia, 2017, 136: 262-270.
[5] Asadikiya M, Zhang Y, Wang L, et al. Design of ternary high-entropy aluminum alloys (HEAls) [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2022, 891: 161836.
[6] 李天昕, 王书道, 卢一平, 等. 高熵合金材料研究进展与展望[J]. 中国工程科学, 2023, 25(3): 170-181.
[7] 许桐, 陈庆军, 郑作栋, 等. 高熵合金成分设计与性能研究进展[J]. 材料研究与应用, 2023, 17(6): 1039-1050.
[8] 王琦, 李艳春, 谢洋, 等. 高熵合金及其耐腐蚀性能的研究进展[J]. 化学工程师, 2023, 334(7): 64-66.
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