合金宝藏——高熵合金

传统合金是由以1-2种金属元素为基础，添加不同的合金元素以改善性能的材料，现已被广泛应用的有铁合金、铝合金、镁合金、钛合金等。2004 年台湾学者叶均蔚首次实现合金化理论大突破——提出多组元高熵合金。至此高熵合金逐渐走进新材料界的视野，以应对人类对材料性能的高要求。

1 高熵材料

高熵材料：一类由多种元素以等摩尔比（或近等摩尔比）组成的新型多主元材料，是目前国际材料学术界的重要研究热点之一。高熵材料包括过渡元素高熵合金、难熔高熵合金、共晶高熵合金、高熵非晶合金、高熵高温合金、高熵陶瓷、高熵金属间化合物等。

2 高熵合金

高熵合金（High-entropy alloys，HEA）：也称多主元合金、成分复杂合金。最初定义为由5种或5种以上元素以等摩尔比（或近等摩尔比）组成。在高熵合金中，各种元素的原子无序随机的分布在晶格位置上，因此在热力学上表现出高熵效应，在动力学上表现缓慢扩散效应，在结构上表现晶格畸变效应。

高熵合金在力学、电磁学、抗腐蚀、耐高温等方面相较于传统合金都表现更优异。高熵材料独特的晶体结构，高混合熵抑制了金属间化合物的形成，促进了晶体结构简单的饱和固溶体形成。最新研究发现高熵合金的固溶体结构中存在明显的元素波动，控制高熵合金中的元素浓度波动，可有效改善力学性能。高熵合金中还可能析出弥散分布的纳米晶、非晶结构，在固溶强化、析出强化、纳米/非晶复合强化等方面提高了力学性能。

①过渡元素高熵合金

过渡元素高熵合金以 Mg、Co、Cu、Cr、Fe、Mn 等过渡元素作为主元素，常用元素组合有AlCrFeNi、CoCrFeNi、AlCoCrNi、AlCoFeNi、AlCoCrFe。过渡元素高熵合金大多是体心立方（BCC）结构相或面心立方（FCC）结构相的固溶体合金。

②难熔高熵合金

难熔高熵合金以 Ti、V、Nb、Cr、W、Zr 等难熔金属元素作为主元素。难熔高熵合金可分为2类：①单相BCC结构的固溶体难熔高熵合金；②在BCC固溶体基体上析出第二相金属间化合物的难熔合金体系。主要作为航空飞行器耐高温材料，目前已达到最小密度为5.59g/cm3，最高使用温度为1400K。

③高熵高温合金

高熵高温合金是一类以FCC或BCC固溶体为基体，在基体上均匀分布着晶体结构相似的有序第二相的高熵合金，第二相起到析出强化作用。

④共晶高熵合金

共晶高熵合金兼具共晶和高熵合金的优点，强度大、塑性强、良好的高温蠕变抗力、低能相界且组织可控。

3 高熵合金潜在应用领域

高熵合金目前应用于航空航天、核聚变反应堆、喷气机涡轮叶片制造等领域，未来可期待的亲民应用有：

①刀具材料高速钢硬度高，但塑性、韧性差、易折断。高熵合金可用于制造对材料要求较高的模具和刀具，目前，普通模具钢正逐渐被高熵合金替代。

②作为耐热材料用于焊接、涡轮叶片、热交换器、高温炉等。

③作为耐腐蚀材料应用于化学工厂、航海船舶等易腐蚀环境。

④高熵合金的高硬度、高耐磨性、较低弹性模量，可用于制造高尔夫球头的打击面、油压气压杆、钢管及辊压筒的硬面。

⑤高熵合金软磁性、高电阻率的特性，可应用于制造高频通讯器件，如高频变压器、马达的磁心、磁头、磁盘、高频软磁薄膜等。

此外，高熵合金在电热、储氢材料、IC扩散阻绝层等其他工业领域也表现出广泛的应用前景。目前，更深入地进行高熵合金的显微组织分析、相图分析、热力学分析、性能测定等研究是国际材料学术界同一的使命，建立更为科学的选择合金元素理论、高熵合金的熔铸理论、凝固结晶理论、压力加工理论等。期待高熵合金更广泛且深入的应用，持续在尖端化工领域绽放溢彩！

参考文献：

[1]高熵合金及其他高熵材料研究新进展[J].王晓鹏，孔凡涛.航空材料学报,2019,39(06):1-19