高熵合金制備及研究進(jìn)展

陳永星，朱 勝，王曉明，杜文博，張 垚

(裝甲兵工程學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072)

高熵合金制備及研究進(jìn)展

陳永星，朱 勝，王曉明，杜文博，張 垚

(裝甲兵工程學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072)

高熵合金目前的研究大多針對(duì)塊體、粉體、涂層、薄膜等領(lǐng)域，在其他領(lǐng)域的研究較少且缺乏統(tǒng)一分類。本文根據(jù)當(dāng)前高熵合金研究進(jìn)展，對(duì)所有研究的高熵合金種類進(jìn)行了劃分，介紹了元素選取原則，總結(jié)了高熵合金制備方法，綜述了高熵合金研究機(jī)構(gòu)、研究形式、研究?jī)?nèi)容等現(xiàn)狀，展望了高熵合金應(yīng)用前景，提出了當(dāng)前高熵合金機(jī)理研究較少、性能研究不全面、熱穩(wěn)定性研究不系統(tǒng)、涂層制備工藝參數(shù)有待優(yōu)化、輕質(zhì)高熵合金設(shè)計(jì)、課題研究領(lǐng)域拓展等系列科學(xué)問(wèn)題并給出針對(duì)解決方法，對(duì)于高熵合金課題未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域拓展研究方向有一定的指導(dǎo)意義。

高熵合金；分類；制備方法；研究現(xiàn)狀；應(yīng)用前景；科學(xué)問(wèn)題

傳統(tǒng)合金體系以1種金屬元素為主，通過(guò)添加少量其他不同元素而形成不同類型的合金，目前已開(kāi)發(fā)應(yīng)用的有以鋁為主的鋁合金、以鎂為主的鎂合金、以鈦為主的鈦合金等[1]。隨著合金研究的深入，有學(xué)者研發(fā)了以1～2種金屬元素為基礎(chǔ)的二元基金屬間化合物合金或新型非晶合金[2]。然而它們均采用傳統(tǒng)合金的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)添加特定的少量合金元素來(lái)改善性能，而合金元素種類過(guò)多會(huì)生成很多化合物尤其是脆性金屬間化合物，引起合金脆性增加，使合金向多元方向發(fā)展受限。因而合金元素種類越少越好，而元素少又會(huì)導(dǎo)致合金所需性能的降低，合金元素種類及比例設(shè)計(jì)與合金性能的良好兼容顯得特別重要。

1995年，葉均蔚等[3-5]突破材料設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)理念，在非晶合金基礎(chǔ)上提出了新的合金設(shè)計(jì)理念，稱之為多主元高熵合金(High Entropy Alloys, HEAs)。高熵合金是由5種以上元素組元按照等原子比或近等原子比合金化，一般形成固溶體的一類混合熵較高的合金。由于具有熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)、結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)、性能上的雞尾酒效應(yīng)[6]，容易獲得熱穩(wěn)定性高的固溶體相和納米結(jié)構(gòu)甚至非晶結(jié)構(gòu)，高熵合金具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、高抗氧化性、高耐腐蝕性等傳統(tǒng)合金所不能同時(shí)具備的優(yōu)異性能，成為近些年來(lái)最有發(fā)展?jié)摿Φ?大熱點(diǎn)之一，具有很高的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。

文章根據(jù)當(dāng)前高熵合金研究進(jìn)展，對(duì)高熵合金種類進(jìn)行了劃分，總結(jié)了合金元素的選取原則和制備方法，綜述了高熵合金的研究機(jī)構(gòu)、研究形式、研究?jī)?nèi)容，展望了高熵合金的應(yīng)用前景，提出了高熵合金研究的科學(xué)問(wèn)題，并針對(duì)科學(xué)問(wèn)題給出了相應(yīng)解決方案。

1 高熵合金分類

1.1 金屬類高熵合金

根據(jù)當(dāng)前研究進(jìn)展，用于制備金屬類高熵合金的金屬主要包括第3周期的Mg，Al；第4周期的Ti，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu，Zn；第5周期的Zr，Nb，Mo，Sn；第6周期的Hf，Ta，W，Pb，另外還有類金屬元素Si，B等。根據(jù)這些元素不同特點(diǎn)，按照不同配比形成具有“雞尾酒”性能的高熵合金包括輕質(zhì)高熵合金，難熔金屬高熵合金等，根據(jù)目前的文獻(xiàn)資料總結(jié)，研究制備的高熵合金主要以AlCrFeCoNiCu體系為主，同時(shí)也有難熔金屬構(gòu)成的 VNbMoTaW體系以及其他金屬體系的高熵合金等[7-10]。統(tǒng)計(jì)得到目前研究的所有類型高熵合金體系中不同金屬的添加頻次如圖1所示。由圖1可知，Al，Ti，Cr，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu等元素在高熵合金研究中應(yīng)用較多。

圖1 所有高熵合金體系中各類金屬的添加頻次統(tǒng)計(jì)Fig.1 Addition frequency of various elements from all kinds of HEAs

1.2 復(fù)合類高熵合金

彌散分布的細(xì)小硬質(zhì)陶瓷相的引入可進(jìn)一步增強(qiáng)多主元高熵合金的力學(xué)性能。常見(jiàn)的增強(qiáng)相有[11]：陶瓷增強(qiáng)相TiC，TiB，TiB2，B4C；金屬間化合物TiAl，Ti3A1，Ti5Si3；氧化物Al2O3，R2O3(R為稀土元素)以及氮化物AlN，TiN等。

王艷蘋[12]通過(guò)“高溫自蔓延-熔鑄”改善的原位自生成法制備了成分為AlCrFeCoNiCu-10%(體積分?jǐn)?shù)，下同)TiC，CrFeCoNiCuTi-10%TiC的TiC增強(qiáng)多主元高熵合金基復(fù)合材料，進(jìn)一步提高了合金力學(xué)性能。盛洪飛[13]利用原位自生成法制備了TiC增強(qiáng)多主元復(fù)合材料Al0.5CoCrCuFeNi-y%TiC (y=5,10,15)探討其組織和性能特點(diǎn)。

2 高熵合金的制備

2.1 高熵合金成分的設(shè)計(jì)與選取

材料的性能與其組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，而組織結(jié)構(gòu)則依賴于組成合金的各元素?zé)崃W(xué)熵值、焓值，電負(fù)性，原子半徑等。所以，應(yīng)選擇混合熵值高，電負(fù)性相近，原子半徑相差小的合金元素，以促進(jìn)合金形成固溶體。合金固溶體形成的一般原則為Hume-Rothery原則[14]，即至少具有5個(gè)組元以獲得高混合熵、合金混合焓在-40～10kJ/mol范圍、最大原子半徑差小于12%。隨著研究的進(jìn)行，部分學(xué)者總結(jié)提出了高熵合金設(shè)計(jì)中有關(guān)熱力學(xué)參數(shù)Ω≥1.1、原子半徑參數(shù)δ≤6.6%、電負(fù)性差異值Δχ和可用于判斷合金相結(jié)構(gòu)的價(jià)電子濃度參數(shù)VEC要求等經(jīng)驗(yàn)判據(jù)法則[15，16]。

基于合金“所需性能導(dǎo)向設(shè)計(jì)”的思想，可按照Hume-Rothery原則或熱力學(xué)參數(shù)Ω、原子半徑參數(shù)δ、電負(fù)性差異值Δχ、價(jià)電子濃度參數(shù)VEC等經(jīng)驗(yàn)判據(jù)計(jì)算選取高熵合金元素，常見(jiàn)的不同高熵合金組成元素如圖1所示，以Al，Ti，Cr，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu為主，有時(shí)會(huì)輔以添加Si，B等元素。利用各元素原子不同的特點(diǎn)，充分發(fā)揮其高熵效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)、遲滯擴(kuò)散效應(yīng)和雞尾酒效應(yīng)，形成具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的固溶體相，使合金具備所需性能。

2.2 高熵合金制備方法

目前高熵合金的制備方法有很多，本文基于“研究試樣形態(tài)”的思路對(duì)高熵合金制備方法進(jìn)行了分類。當(dāng)前高熵合金的研究試樣主要有：塊體、粉體、涂層、薄膜、箔材以及復(fù)合類高熵合金等。圖2為不同形態(tài)試樣的研究制備方法分類。

圖2 高熵合金制備技術(shù)Fig.2 Preparation technology of HEAs

2.2.1 高熵合金塊體的制備方法

塊體高熵合金的制備方法主要有真空熔煉法[17]和粉末冶金法[18]。真空熔煉法是當(dāng)前高熵合金制備使用最多的方法。文獻(xiàn)[4，5]中葉均蔚等便采用“真空電弧熔煉+銅模鑄造”的方法制備了AlCrCoNiCu塊體高熵合金。粉末冶金法具備可低溫度燒結(jié)、避免偏析、材料利用率較高等傳統(tǒng)熔鑄法所不具備的特點(diǎn)。邱星武等[19]利用粉末冶金法制備CrFeNiCuMoCo高熵合金并對(duì)其組織結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了研究。

2.2.2 高熵合金粉體制備方法

高熵合金粉體的制備方法主要為機(jī)械合金化法[20]，該方法較易獲得組織和組分分布均勻的納米晶或非晶顆粒。印度馬德拉斯理工學(xué)院的Varalakshmi等[21，22]利用該方法制備了CuNiCoZnAlTi，AlFeTiCrZnCu系高熵合金，對(duì)其組織結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了研究。魏婷等[23]利用該方法制備了AlFeCrCoNi高熵合金并對(duì)其不同退火溫度下的性能進(jìn)行研究。

2.2.3 高熵合金涂層制備方法

當(dāng)前高熵合金涂層的制備方法主要有激光熔覆法、熱噴涂法、冷噴涂法。邱星武等[24]利用激光熔覆法在Q235鋼基體上制備Al2CrFeCoxCuNiTi系高熵合金涂層對(duì)其組織和性能進(jìn)行了研究，梁秀兵等[25]利用熱噴涂法在Mg基體上制備FeCrNiCoCu(B)涂層分析其結(jié)構(gòu)和性能，朱勝等[26]利用冷噴涂法在Mg基體上制備了AlCrFeCoNi系高熵合金涂層并分析其結(jié)構(gòu)與性能。

2.2.4 高熵合金薄膜制備方法

高熵合金薄膜的制備方法主要有磁控濺射法、等離子體基離子注入法、電化學(xué)沉積法。法國(guó)奧爾良大學(xué)Dolique等[27]利用直流磁控濺射法制備了AlCoCrCuFeNi薄膜，并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和性能分析，馮興國(guó)[28]利用多靶磁控濺射和等離子體基注氮的方法制備(TaNbTiW)N氮化物薄膜，姚陳忠等[29]利用電化學(xué)沉積法制備了NdFeCoNiMn非晶納米晶高熵合金薄膜并進(jìn)行相關(guān)研究。

2.2.5 高熵合金箔材制備方法

目前，高熵合金在焊接領(lǐng)域應(yīng)用研究較少，根據(jù)文獻(xiàn)資料，西安理工大學(xué)的徐錦鋒課題組[30]采用單輥快速凝固法在銅輥表面制備了TiFeCuNiAl等體系高熵合金箔材，用于鈦/鋼焊縫接頭的焊接或過(guò)渡焊接。

2.2.6 高熵合金基復(fù)合材料制備方法

金屬類高熵合金的制備分為上述5類，而高熵合金基復(fù)合材料常用的制備方法主要為自蔓延高溫合成法(SHS)[31]，李邦盛課題組致力于高熵合金基復(fù)合材料的研究，文獻(xiàn)[12]中他的博士研究生王艷蘋便利用“SHS+熔鑄”方法制備AlCrFeCoNiCu-10% TiC，CrFeCoNiCuTi-10% TiC高熵合金基復(fù)合材料，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了研究。

上述各類制備方法原理及特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

3 高熵合金研究現(xiàn)狀

3.1 研究機(jī)構(gòu)

國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)展了高熵合金相關(guān)研究工作，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)[3-5]對(duì)高熵合金的研究較早，在高熵合金領(lǐng)域研究處于國(guó)際領(lǐng)先水平?！案哽睾辖稹备拍钐岢龊?，大陸地區(qū)許多單位開(kāi)始研究高熵合金，最早進(jìn)行高熵合金研究的為吉林大學(xué)的蔣青教授[32]，此外，清華大學(xué)、北京科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、重慶大學(xué)、中山大學(xué)、桂林電子科技大學(xué)、廣西大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院和北京有色金屬研究總院等多家科研學(xué)校與單位學(xué)者對(duì)高熵合金組織性能進(jìn)行了深入研究并取得了一定的成果。

美國(guó)萊特-帕特森空軍基地空軍實(shí)驗(yàn)室[33,34]開(kāi)發(fā)了W-Nb-Mo-Ta，W-Nb-Mo-Ta-V，Ta-Nb-Hf-Zr-Ti系等耐高溫高熵合金用于航空航天領(lǐng)域高溫承重構(gòu)件和絕熱系統(tǒng)，田納西大學(xué)和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[35]制備了以CoCrFeMnNi為基礎(chǔ)的高熵系列合金；德國(guó)柏林亥姆霍茲中心制備了AlCoCrCuFeNi系高熵合金，比較了潑濺淬火和通常坩堝熔鑄制備的高熵合金相結(jié)構(gòu)及元素分布[8]；印度馬德拉斯理工學(xué)院采用機(jī)械合金化法制備了AlFeTiCrZnCu、CuNiCoZnAlTi納米結(jié)構(gòu)高熵合金粉末進(jìn)行相關(guān)研究[21，22]；法國(guó)奧爾良大學(xué)主要通過(guò)磁控濺射制備AlCoCrCuFeNi薄膜進(jìn)行高熵合金相關(guān)研究[27]。

表1 基于制備樣品形態(tài)的高熵合金制備方法分類、原理及特點(diǎn)Table 1 Classification，principle and characteristic of HEAs based on prepared samples’ shape

3.2 研究方式

當(dāng)前對(duì)高熵合金的研究大部分是通過(guò)不同制備方法制備出高熵合金或其復(fù)合材料塊體、粉體、涂層、薄膜等進(jìn)行分析研究，主要可概括為3個(gè)方面：

(1)在可改變范圍內(nèi)，可通過(guò)改變某一或某幾種元素的含量分析對(duì)比不同情況下高熵合金顯微組織和性能，如文獻(xiàn)[7]中劉源通過(guò)改變Al含量分析其對(duì)AlxCoCrCuFeNi高熵合金性能的影響，謝紅波等[36]研究了不同Zr含量對(duì)AlFeCrCoCuZrx高熵合金組織及腐蝕性能的影響。

(2)加入某些元素來(lái)分析元素對(duì)高熵合金性能的影響，如李銳[37]通過(guò)加入Mn，Mg來(lái)分析對(duì)比不同Mn，Mg含量對(duì)Mgx(MnAlZnCu)100-x性能的影響，謝紅波等[38]通過(guò)添加Al分析其對(duì)AlxFeCrCoCuV高熵合金組織及摩擦性能的影響。

(3)改變工藝參數(shù)或冷卻速率研究不同工藝參數(shù)或冷卻速率對(duì)高熵合金性能的影響或者通過(guò)熱處理、軋制或其他機(jī)械處理方法優(yōu)化高熵合金的性能，如邱星武等[39]通過(guò)改變激光功率、掃描速率、光斑大小來(lái)研究激光熔覆法不同工藝參數(shù)對(duì)Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂層性能的影響，Ma等[40]分析了不同冷卻速率對(duì)AlxSi0.2CrFeCoNiCu1-x高熵合金組織和力學(xué)性能的影響，王重等[41]研究了冷軋對(duì)Al10Cu25Co20Fe20Ni25高熵合金組織及力學(xué)性能的影響。

3.3 研究?jī)?nèi)容

有關(guān)高熵合金研究?jī)?nèi)容的開(kāi)展主要集中在理論研究的建模仿真(以材料計(jì)算為主)以及實(shí)際研究中的相結(jié)構(gòu)及微觀組織形貌和性能研究?jī)煞矫妗?/p>

3.3.1 高熵合金計(jì)算與仿真建模

高熵合金的仿真計(jì)算模擬對(duì)于高熵合金的設(shè)計(jì)、相結(jié)構(gòu)及性能預(yù)測(cè)等方面具有重要作用，可為實(shí)驗(yàn)測(cè)試提供基礎(chǔ)。目前關(guān)于高熵合金計(jì)算模擬的方法主要有密度泛函理論(Density Functional Theory, DFT)，熱力學(xué)第一性原理仿真(Ab Initio Thermodynamics，AITD)，分子動(dòng)力學(xué)第一性原理仿真(Ab Initio Molecular Dynamics, AIMD)，新相分計(jì)算法(New PHACOMP)，相圖計(jì)算法(Calculation of Phase Diagram, CALPHAD)等。例如Zhang等[42]應(yīng)用DFT方法對(duì)AlxCoCrCuFeNi系高熵合金的結(jié)合力、彈性性能進(jìn)行了研究；Ma等[43]利用Ab Initio Thermodynamics方法研究了CoCrFeMnNi系高熵合金的熱力學(xué)性能、相穩(wěn)定性，探討了電子熵、振動(dòng)熵、磁性熵對(duì)高熵合金相穩(wěn)定的影響比重，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；Gao等[44]等利用AIMD方法預(yù)測(cè)了AlxCoCrCuFeNi系高熵合金的結(jié)構(gòu)和性能；Guo等[45]通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算軟件Thermo-Calc利用New PHACOMP方法計(jì)算發(fā)現(xiàn)了價(jià)電子濃度對(duì)多主元高熵合金fcc，bcc相穩(wěn)定性的影響；Zhang等[46]利用CALPHAD 方法豐富了Al-Co-Cr-Fe-Ni體系高熵合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)，研究了Al含量對(duì)AlxCoCrFeNi體系相穩(wěn)定性的影響。

上述各類高熵合金的計(jì)算與仿真建模方法比較如表2所示。

3.3.2 高熵合金相圖、組織形貌及性能研究

高熵合金具有簡(jiǎn)單的固溶體相結(jié)構(gòu)，一般為fcc，bcc, hcp或它們兩者或三者之間的混合相結(jié)構(gòu)。對(duì)微觀組織形貌觀察時(shí)一般采用金相、SEM等方法對(duì)組織形貌進(jìn)行分析，同時(shí)會(huì)利用三維探針或EDS對(duì)微觀組織局部元素分布進(jìn)行分析。

在性能研究方面，主要集中在力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性能、耐腐蝕性能、磁學(xué)性能等方面。

(1)力學(xué)性能

力學(xué)性能包括壓縮性能、硬度和拉伸性能等。壓縮性能測(cè)試一般對(duì)試樣施加軸向壓力，測(cè)定其強(qiáng)度和塑性，進(jìn)而繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線分析合金壓縮性能，有時(shí)也會(huì)對(duì)壓縮形貌進(jìn)行分析；硬度是材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，可利用顯微硬度計(jì)測(cè)試合金硬度，拉伸性能即根據(jù)國(guó)標(biāo)或非國(guó)標(biāo)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而測(cè)得合金的拉伸力學(xué)性能指標(biāo)。例如王艷蘋[12]研究了Mn，Ti，V對(duì)壓縮強(qiáng)度、塑性、硬度的影響，結(jié)果表明，V可提升合金的屈服強(qiáng)度、硬度和阻尼性能，Ti可提高合金的硬度，但使合金的塑性下降，Mn單獨(dú)加入使合金的強(qiáng)度，硬度和塑性均下降，同時(shí)加入Mn，Ti，V的合金強(qiáng)度最高；Dong等[47]制備了AlCrFe2Ni2高熵合金并研究了合金的室溫拉伸性能，結(jié)果表明，合金的室溫屈服強(qiáng)度為796MPa，抗拉強(qiáng)度為1437MPa，伸長(zhǎng)率為15.7%，力學(xué)拉伸性能優(yōu)異；Li等[48]提出了“亞穩(wěn)態(tài)雙相高熵合金”設(shè)計(jì)思想，調(diào)控制備了fcc與hcp相結(jié)構(gòu)混合更強(qiáng)、更韌、更具延展性的鑄態(tài)高熵合金Fe50Mn30Co10Cr10，合金的工程應(yīng)變抗拉強(qiáng)度900MPa，延展性相對(duì)于高強(qiáng)鋼提高60%，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度與高韌性的融合。

(2)熱穩(wěn)定性能

高熵合金的熱穩(wěn)定性能研究主要指合金的抗高溫氧化的能力，主要通過(guò)測(cè)定氧化動(dòng)力學(xué)曲線、氧化層X(jué)RD、氧化膜表面形貌、氧化膜截面形貌等進(jìn)行分析。例如洪麗華等[49]對(duì)Al0.5CrCoFeNi在不同退火溫度下抗氧化能力進(jìn)行了分析；張華等[50]研究了Al0.5Fe-CoCrNi，Al0.5FeCoCrNiSi0.2，Al0.5FeCoCrNiTi0.53種高熵合金在900℃下的高溫抗氧化能力；謝紅波等[51]研究了Mn，V，Mo，Ti，Zr元素對(duì)AlFeCrCoCux系高熵合金不同溫度抗氧化性能的影響。

表2 高熵合金的計(jì)算與仿真建模方法對(duì)比Table 2 Comparison of HEAs’ calculation and modeling method

(3)耐腐蝕性能

高熵合金的耐腐蝕能力研究較為普遍，幾乎每篇文獻(xiàn)關(guān)于高熵合金性能的研究都有關(guān)于耐腐蝕性能的研究。高熵合金耐腐蝕性研究可通過(guò)普通浸泡腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩方面進(jìn)行，通過(guò)繪制腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線(失重法,深度法)、動(dòng)電位極化曲線、腐蝕表面形貌分析、腐蝕產(chǎn)物成分分析等方法進(jìn)行。例如李偉等[52]研究了AlFeCuCoNiCrTix的電化學(xué)腐蝕能力并與304不銹鋼作對(duì)比。結(jié)果表明，該系合金在0.5mol/L的H2SO4溶液中具有較低的腐蝕速率；在1mol/L的NaCl溶液中，該系合金的腐蝕速率與304不銹鋼相當(dāng)，但其抗孔蝕的能力要優(yōu)于304不銹鋼。洪麗華等[53]繪制了Al0.5CoCrFeNi腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線并對(duì)腐蝕產(chǎn)物、腐蝕表面形貌、腐蝕截面形貌進(jìn)行了分析，研究了高熵合金在800，900℃在質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%Na2SO4+25%NaCl溶液中抗高溫腐蝕性；戴義等[54]研究了AlMgZnSnCuMnNix的電化學(xué)腐蝕行為，通過(guò)比較電腐蝕電位研究了不同Ni含量對(duì)AlMgZnSnCuMnNix耐腐蝕行為的影響。

(4)磁學(xué)性能

高熵合金的磁學(xué)性能可采用物理性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試出室溫磁化曲線、磁滯回線，進(jìn)而對(duì)合金的磁性行為進(jìn)行分析。例如吉林大學(xué)蔣青教授博士研究生劉亮[55]研究了FeNiCuMnTiSnx高熵合金的磁學(xué)性能，結(jié)果表明，當(dāng)x=0時(shí)，合金為順磁性，隨Sn含量的增加，合金的磁學(xué)性能也由開(kāi)始的順磁性轉(zhuǎn)變成軟磁性。

當(dāng)前關(guān)于高熵合金的研究?jī)?nèi)容除上述內(nèi)容外，還有晶粒生長(zhǎng)規(guī)律、焓與熵對(duì)高熵合金形成的影響原理、高熵合金的疏水性能研究等其他內(nèi)容，例如Liu等[56]研究了FeCoNiCrMn高熵合金晶粒生長(zhǎng)規(guī)律；Otto等[57]通過(guò)選用晶體結(jié)構(gòu)、尺寸和電負(fù)性可比的1種元素來(lái)取代另1種元素進(jìn)而研究熵和焓對(duì)高熵合金相穩(wěn)定性的關(guān)系；Dolique等[58]研究了AlCoCrCuFeNi高熵合金薄膜與水的潤(rùn)濕能力，結(jié)果表明具有fcc，bcc結(jié)構(gòu)的薄膜具有超疏水作用，具有與高分子聚四氟乙烯相同的值，這使得高熵合金未來(lái)取代高分子聚四氟乙烯很有希望。

4 高熵合金應(yīng)用前景及研究問(wèn)題分析

4.1 高熵合金應(yīng)用領(lǐng)域前景分析

高熵合金對(duì)于新材料的研究具有很重要的作用。由于高熵合金具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨或耐高溫軟化等性能特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。目前應(yīng)用的實(shí)例有：高速切削用刀具，各類工、模具，高爾夫球頭，超高大樓的耐火骨架，化學(xué)工程、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、船舶的耐蝕高強(qiáng)度材料，渦輪葉片，電子器件、通訊領(lǐng)域以及其他領(lǐng)域等。

而當(dāng)前針對(duì)高熵合金的研究主要從制備試樣形態(tài)、制備技術(shù)、計(jì)算模擬、微觀組織、性能分析等方面進(jìn)行分析，而性能研究方式主要從3.2節(jié)所述3個(gè)方面進(jìn)行。根據(jù)閱讀資料總結(jié)，高熵合金未來(lái)可能的應(yīng)用發(fā)展領(lǐng)域有：

(1)將高熵合金作為金屬焊接的過(guò)渡層或直接焊接立體成形，作為焊接材料應(yīng)用在焊接領(lǐng)域。

(2)作為耐高溫及耐磨的涂層，發(fā)揮其熱穩(wěn)定性好和耐磨性的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于其可以表現(xiàn)出多種元素的特性，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)，作高耐磨涂層。

(3)作為耐腐蝕材料應(yīng)用在深海等對(duì)金屬耐腐蝕性要求較高的領(lǐng)域，發(fā)揮其耐腐蝕性能良好的優(yōu)勢(shì)。

(4)由于輕質(zhì)高熵合金低密度、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，因而可考慮將輕質(zhì)高熵合金作為航空航天、艦船裝備等的修復(fù)材料或功能結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用。

4.2 高熵合金研究的科學(xué)問(wèn)題

雖然有許多學(xué)者對(duì)高熵合金計(jì)算模擬、制備工藝、微觀組織和性能進(jìn)行了研究，但對(duì)于高熵合金的研究至今還沒(méi)有科學(xué)的理論體系，還有許多需要解決的地方：

(1)對(duì)其機(jī)理的研究尚少。例如高熵合金的相形成和轉(zhuǎn)化規(guī)律，混合熵、混合焓和原子尺寸等原子參數(shù)對(duì)合金固溶體形成的作用。臺(tái)灣的葉均蔚教授提出高熵合金易于形成固溶體，是由于其高混合熵所致，但混合焓和原子半徑等原子參數(shù)也會(huì)起到作用，而且工藝條件也會(huì)影響相的形成和穩(wěn)定性。

(2)對(duì)高熵合金性能的研究?jī)H限于一些常規(guī)的性能，如硬度、耐磨性、耐腐蝕性這些常溫下的實(shí)驗(yàn)，而對(duì)于其他性能比如其在較高溫度下的蠕變性能如熱疲勞性、抗燃燒性的研究尚少，數(shù)據(jù)也不多。

(3)高熵合金的熱穩(wěn)定性缺乏系統(tǒng)的研究而且不同種類高熵合金的熱穩(wěn)定性如何確定沒(méi)有明確的理論體系。不同種類高熵合金可以在多高的溫度下長(zhǎng)期穩(wěn)定沒(méi)有明確規(guī)定。

(4)高熵合金涂層的工藝參數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，尚未能進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用中。例如激光熔覆涂層制備高熵合金時(shí)光斑大小、激光功率、掃描速率等工藝參數(shù)的最佳選擇需要不斷地實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行工藝參數(shù)的選擇，這一問(wèn)題的解決可為高熵合金涂層的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用起到很大的促進(jìn)作用。

(5)特定性能的高熵合金的設(shè)計(jì)。高熵合金同樣需要輕質(zhì)，如何合理設(shè)計(jì)元素和成分比例，如何獲得性能優(yōu)越的高熵合金，有待進(jìn)一步研究。

(6)高熵合金課題的研究領(lǐng)域。當(dāng)前針對(duì)高熵合金的研究主要是通過(guò)不同技術(shù)制備高熵合金涂層、薄膜或單獨(dú)制備高熵合金塊體試樣進(jìn)而進(jìn)行其微觀組織觀察和性能分析，對(duì)高熵合金在如焊接等其他領(lǐng)域的拓展應(yīng)用研究較少。

4.3 高熵合金研究科學(xué)問(wèn)題的解決方案

(1)由于相圖決定材料熱力學(xué)平衡及性能特點(diǎn)，對(duì)于高熵合金科學(xué)研究問(wèn)題(1)，(2)，(3)，需針對(duì)高熵合金的相形成及其規(guī)律進(jìn)行研究。目前所研究的高熵合金種類較多，針對(duì)其對(duì)應(yīng)相圖深入研究較少，可利用材料基因組思想[59]結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及CALPHAD技術(shù)對(duì)高熵合金進(jìn)行相圖基因組歸納劃分，開(kāi)發(fā)高熵合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)并不斷優(yōu)化拓展，為各類高熵合金的機(jī)理以及性能研究提供依據(jù)。

(2)利用“正交實(shí)驗(yàn)”或“人工智能算法”對(duì)高熵合金涂層的工藝參數(shù)優(yōu)化或預(yù)測(cè)，進(jìn)而在實(shí)驗(yàn)中得到性能較好的高熵合金涂層。

(3)依據(jù)“低密度、輕質(zhì)、相結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化”的思想，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)性能優(yōu)越的輕質(zhì)高熵合金。如Khaled等[60]開(kāi)發(fā)了“輕如鋁、強(qiáng)如鈦”的單相低密度、高強(qiáng)度性能優(yōu)異的高熵合金Al20Li20Mg10Sc20Ti30，張勇等[61]開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)度AlLiMgZn(Cu,Sn)系輕質(zhì)高熵合金并進(jìn)行了相關(guān)研究。

(4)拓展高熵合金在焊接等其他相關(guān)領(lǐng)域的研究?？蛇M(jìn)一步多樣化高熵合金制備形態(tài)，開(kāi)發(fā)高熵合金焊絲，為高熵合金的多種類產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

高熵合金為各類高性能合金的大量研究生產(chǎn)提供了可能性，由于具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、高抗氧化性、高耐腐蝕性等特點(diǎn)，其在材料學(xué)領(lǐng)域的研究具有很高的學(xué)術(shù)研究和應(yīng)用價(jià)值，與大塊非晶、復(fù)合材料并稱為未來(lái)幾十年最有發(fā)展?jié)摿Φ?大熱點(diǎn)。盡管目前關(guān)于高熵合金的研究取得了一定的成果，但仍存在一些有待解決的科學(xué)問(wèn)題，這些問(wèn)題的進(jìn)一步突破將對(duì)高熵合金研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用領(lǐng)域的拓展研究具有很重要的意義。

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國(guó)際合作項(xiàng)目(2015DFG51920);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51775556, 51375493)

2015-09-07;

2016-09-30

朱勝(1964-)，男，教授，博士，主要研究方向：機(jī)械工程、再制造，聯(lián)系地址：北京市豐臺(tái)區(qū)杜家坎21號(hào)(100072)，E-mail: zusg@sohu.com

(本文責(zé)編：楊 雪)

Progress in Preparation and Research of High Entropy Alloys

CHEN Yong-xing，ZHU Sheng，WANG Xiao-ming，DU Wen-bo，ZHANG Yao

(National Key Laboratory for Remanufacturing,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China)

The current high entropy alloys’ studies are most in block, powder, coating, film and other areas. There are few studies of high entropy alloys in other areas and they are lack of unified classification. According to the current high entropy alloys’ research situation, The paper has focused on the classification on all kinds of high entropy alloys having been researched, introduced the selecting principle of elements, summarized the preparation methods, reviewed the research institutions, research methods and research contents of high entropy alloys, prospected the application prospect of high entropy alloys, put forward a series of scientific problems of high entropy alloys, including less research on mechanism, incomplete performance research, unsystematic thermal stability study, preparation process parameters to be optimized, lightweight high entropy alloys’ design, the expansion on the research field, etc, and the solutions have been given. Those have certain guiding significance for the expansion of the application of high entropy alloys subjects in the future research direction.

high entropy alloy；classification；preparation method；research status；application prospect；scientific problem

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001124

TG176

A

1001-4381(2017)11-0129-10