趙 堃， 馮小明,2*， 艾桃桃,2

(1.陜西理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 漢中 723000；2.陜西理工大學(xué) 礦渣綜合利用環(huán)保技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 漢中 723000)

近年來，高熵合金(High-entropy alloys,HEAs)因其獨(dú)特的成分、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能而備受關(guān)注[1]。與傳統(tǒng)的合金設(shè)計(jì)概念不同，HEAs不僅基于一種或兩種元素，而且至少可包含5種主元素，原子百分比相同或接近相同，溶質(zhì)和溶劑之間沒有明顯的差異，合成時(shí)可能產(chǎn)生許多相和金屬間化合物，從而導(dǎo)致復(fù)雜而脆弱的微觀結(jié)構(gòu)。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)合金中較高的混合熵增強(qiáng)了具有簡單結(jié)構(gòu)的隨機(jī)固溶相的形成，這為HEAs的研究奠定了基礎(chǔ)，也為新的合金設(shè)計(jì)提供了新的思路[2]。

HEAs有兩個(gè)定義，分別從組成和熵的角度對HEAs進(jìn)行了界定，但與此同時(shí)，關(guān)于多組元合金是否可以視為HEAs依然存在著一些困惑和爭議?；诔煞值亩x：至少有5種主要金屬元素，每種元素的原子百分比在5%到35%之間[1]。因此，HEAs不需要等摩爾或接近等摩爾，甚至可以包含微量元素來平衡材料的各種屬性，如延性、韌性、強(qiáng)度、蠕變、氧化等?；陟氐亩x：在隨機(jī)解狀態(tài)下構(gòu)型熵大于1.5 R。同時(shí)定義了1 R～1.5 R之間為中熵合金(MEAs)，小于1 R(LEAs)定義為低熵合金(LEAs)[3]。到目前為止，有關(guān)HEAs的報(bào)告幾乎涵蓋了當(dāng)前HEAs研究的各個(gè)方面。然而，學(xué)者對HEAs的了解和研究還只是冰山一角，更多的HEAs體系及特性未被探索?；诖耍疚母攀隽薍EAs的4個(gè)核心效應(yīng)、典型制備方法、典型結(jié)構(gòu)及性能，并對未來HEAs的發(fā)展進(jìn)行了簡單的展望。

1 高熵合金的4個(gè)核心效應(yīng)

由于HEAs的多主元素混合，導(dǎo)致表現(xiàn)出4個(gè)核心效應(yīng)[4]，即熱力學(xué)方面的高熵效應(yīng)、動力學(xué)方面的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)、結(jié)構(gòu)方面的晶格畸變效應(yīng)以及在性質(zhì)上的雞尾酒效應(yīng)[5]。

1.1 高熵效應(yīng)

高溫下HEAs的高熵效應(yīng)可以促進(jìn)多元素固溶相形成，而在低溫條件下，高熵效應(yīng)對于減少HEAs中的相數(shù)也很重要。否則，由于許多二元或三元金屬間化合物的形成，它們的微觀結(jié)構(gòu)將變得更加復(fù)雜和脆弱[6]。在常規(guī)合金的相位預(yù)測中，熵效應(yīng)常被忽略。根據(jù)熱力學(xué)，合金體系中相的混合自由能與混合焓和混合熵有關(guān)，根據(jù)吉布斯自由能公式

ΔGmix=ΔHmix-TΔSmix，

(1)

由于傳統(tǒng)合金是以一種主要元素為基礎(chǔ)的，所以它們的相的混合熵很小。因此，ΔGmix近似等于ΔHmix。那就是：

-TΔSmix?ΔHmix,

(2)

ΔGmix～ΔHmix，

(3)

因此，相的形成主要是相的混合焓相互競爭的結(jié)果。HEAs固溶體的高構(gòu)型熵可降低體系的吉布斯自由能，尤其在高溫下效果明顯，因此HEAs中的相數(shù)目遠(yuǎn)小于吉布斯相率所計(jì)算的相數(shù)目[7]。

1.2 緩慢擴(kuò)散效應(yīng)

HEAs的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)可以降低原子的擴(kuò)散速率。YEH等[4]研究發(fā)現(xiàn)HEAs的擴(kuò)散系數(shù)相比于其他合金明顯更小，HEAs的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)通?？梢栽斐杉{米析出相的形成、相變速率減緩、再結(jié)晶溫度提高以及熱穩(wěn)定性提高等。

Tsai等[8]以CoCrFeMnNi為研究對象對HEAs進(jìn)行了首次擴(kuò)散研究。研究結(jié)果表明：熵越高，擴(kuò)散速率越低。因此，該研究證實(shí)了HEAs系統(tǒng)的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)。由于擴(kuò)散相變需要不同種類原子的協(xié)同擴(kuò)散，緩慢的擴(kuò)散會降低整體的轉(zhuǎn)化率，而最慢的元素往往決定了轉(zhuǎn)化率。該研究中考慮到整個(gè)溶質(zhì)基體中一對原子和空位的局域構(gòu)型，當(dāng)原子和空位相互交換時(shí)，由于它們所遇到的相鄰原子間相互作用力不同，交換前后的結(jié)合能也不同。這意味著原子在晶格中沿著擴(kuò)散路徑會經(jīng)歷晶格勢能的波動。波動越大，擴(kuò)散勢壘越大，消耗的能量更多。這就是HEAs中原子擴(kuò)散緩慢的原因。最新研究發(fā)現(xiàn)[9]：Co-Cr-Fe-Mn-Ni、Co-Cr-Fe-Ni、Co-Fe-Mn-Ni、Co-Cr-Mn-Ni和Al-Co-Cr-Fe-Ni 5種不同的高熵體系，其緩慢擴(kuò)散效應(yīng)僅在某些特定系統(tǒng)中發(fā)生，例如含Mn的Co-Cr-Fe-Mn-Ni?？梢姡瑢EAs擴(kuò)散效應(yīng)的研究還處于起步階段。

1.3 嚴(yán)重的晶格畸變效應(yīng)

HEAs在結(jié)構(gòu)上整個(gè)溶質(zhì)基體存在嚴(yán)重的晶格畸變，這是由于晶格點(diǎn)位上的每個(gè)原子的第一個(gè)相鄰原子種類不同，導(dǎo)致晶格畸變。晶格畸變效應(yīng)非常廣泛，不僅影響微觀結(jié)構(gòu)和性能，而且影響熱力學(xué)和動力學(xué)[5]。

Zhang等[10]發(fā)現(xiàn)金屬氫化物中的每一個(gè)組成元素都可以看作是一個(gè)溶質(zhì)原子，再加上許多組成元素之間原子半徑的巨大差異所引起的晶格畸變，使得金屬氫化物中固溶的結(jié)構(gòu)與純金屬和普通合金的結(jié)構(gòu)不同。圖1所示為BCC晶體結(jié)構(gòu)的晶格畸變示意圖[10]，其中圖1(a)為以Cr為例的完美晶格；圖1(b)為以Cr-V固溶體為例的由原子半徑不同的另一種成分引起的晶格畸變；圖1(c)為以AlCoCrFeNiTi0.5為例的由多種不同大小原子隨機(jī)分布在晶格中引起的嚴(yán)重扭曲晶格，以相同的概率占據(jù)多組分固溶體中的晶格位點(diǎn)。從圖中可見，由于原子半徑不同，合金的晶格畸變非常嚴(yán)重[10]。通過對晶格畸變的研究，可更好地理解HEAs的固溶強(qiáng)化效應(yīng)，并可通過一定規(guī)律改變成分設(shè)計(jì)新型HEAs。

(a)完美晶格 (b)晶格畸變 (c)扭曲晶格中的晶格位點(diǎn)

1.4 雞尾酒效應(yīng)

“雞尾酒”效應(yīng)最早由Ranganathan[11]提出，他將其稱之為多金屬雞尾酒。冶金學(xué)家發(fā)現(xiàn)，將金屬混合在多金屬中，類似調(diào)制雞尾酒，制成塊狀金屬玻璃、超彈性和超塑性合金以及納米結(jié)構(gòu)的HEAs。因此HEAs的性能不是各金屬性能簡單疊加，而是受到所含的單相、兩相或者多相的綜合影響，包括晶粒形貌、晶界、晶粒尺寸分布、相界、以及每種相的性能。

2 高熵合金的制備技術(shù)

常見的制備技術(shù)主要有：

(1)鑄造法。鑄造法是將一定比例的金屬粉末放入真空電弧爐[12]或其他金屬熔煉爐中多次熔煉。樣品在合金成分均質(zhì)化后連續(xù)澆鑄。

(2)大氣保護(hù)渣熔煉法。宋春輝[13]設(shè)計(jì)了AlMg、AlMgZn、AlMgZnSn、AlMgZnSnPb、AlMgZnSnPbCu、AlMgZnSnPbCuMn等一系列元素逐漸增多的合金。將金屬粉末以等摩爾比放入坩堝中，在高頻感應(yīng)爐中熔煉。熔煉時(shí)攪拌石英棒，促進(jìn)均勻化，然后用銅模鑄造。

(3)機(jī)械合金化。機(jī)械合金化是一種更方便的方法，已廣泛用于合成具有均勻微觀結(jié)構(gòu)的納米晶體材料。Ji Wei等[14]將元素粉末按等原子組成混合，然后在行星式球磨機(jī)中在氬氣氣氛中以250 r/min的轉(zhuǎn)速研磨60 h，最終形成了具有10 nm細(xì)微結(jié)構(gòu)的固溶體，由FCC相和BCC相組成。

(4)真空熔煉法，包括真空電弧熔煉和真空感應(yīng)熔煉[8]。Zhu等[15]通過在高純度氬氣氛中將具有等摩爾比CoCrFeNiMn金屬粉末(純度>99%)的混合物用真空電弧熔化制備成具有單相FCC結(jié)構(gòu)的HEAs。

(5)微波燃燒合成。王騰等[16]以Fe2O3、CuO、Ni2O3、Co2O3、Al高純粉體等氧化物為原料，采用微波輔助燃燒、鋁熱反應(yīng)機(jī)理等方法合成了塊狀FeCoNiCuAl HEAs。

(6)放電等離子燒結(jié)(SPS)。放電等離子燒結(jié)是最新的技術(shù)，以金屬粉末為例，使用單向壓力壓緊，同時(shí)利用電流通過壓縮樣本和促進(jìn)直接電阻加熱效應(yīng)[17]。Colombini等[18]利用機(jī)械合金化和放電等離子燒結(jié)法，制備了等摩爾組成的FeCoNiCrAl HEAs。

(7)電化學(xué)沉積法。鄭茂盛等[19]利用電化學(xué)沉積法制備FeNiCoCrBiMn HEAs薄膜。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，薄膜表面呈顆粒狀結(jié)構(gòu)，晶粒在1 μm左右。利用電化學(xué)沉積可以簡單快捷地制備高熵合金，這為探索新型高熵合金體系開辟了新的途徑。

3 高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)

雖然HEAs中存在多種元素，但它們在凝固后往往形成相對簡單的相，如面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)、體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)或密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)[3]。然而，隨著對HEAs的深入研究，發(fā)現(xiàn)該合金還含有有序的金屬間化合物、非晶和納米晶沉淀[20]。

3.1 簡單固溶結(jié)構(gòu)高熵合金

(1)FCC結(jié)構(gòu)。最著名的FCC單相HEAs是CoCrFeNiMn等摩爾比即Cantor合金[21]，含Co(HCP)、Cr(BCC)、Fe(BCC)、Ni(FCC)、Mn(BCC)等摩爾比，并以此為基礎(chǔ)，調(diào)整成分得到三元、四元甚至六元及以上HEAs，只有FCC固溶相。Wu等[22]為了更好地了解這種五元固溶體合金，研究了由其組成元素制成的各種二元、三元和四元合金，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3個(gè)四元合金：FeNiCoCr、FeNiCoMn、NiCoCrMn，5個(gè)三元合金：FeNiCo、FeNiCr、FeNiMn、NiCoCr、NiCoMn，以及兩個(gè)二元合金：FeNi和NiCo，在鑄造和均質(zhì)條件下都是單相FCC相固溶體。FCC相HEAs在室溫和低溫下，均表現(xiàn)出較好的塑性，強(qiáng)度和塑性隨溫度下降而增強(qiáng)，但在高溫下力學(xué)性能下降明顯[23]。

(2)BCC結(jié)構(gòu)。Senkov O N等[24]采用真空電弧熔煉+熱等靜壓(HIPing)工藝制備了等摩爾比TaNbHfZrTi，主要為BCC相結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)A=340.4 pm。另一個(gè)典型例子是采用電弧熔煉法制備的AlxCoCrFeNi(0≤x≤2)體系，具有較高的強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度超過1.2 GPa，但是塑性較低，延伸率不足5%[25]，這也代表了一般BCC相HEAs的特點(diǎn)。對于該系合金來說，室溫脆性已經(jīng)成為制約其加工、成形以及后續(xù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，因此迫切需要提高其室溫塑性。目前已經(jīng)有相關(guān)研究正在開展[26]。

(3)HCP結(jié)構(gòu)。雖然HCP相通常被認(rèn)為是HEAs的典型簡單固溶結(jié)構(gòu)之一，但對這一相的研究很少。Tsau等[27]采用電弧熔煉法制備了等原子的TiCrZrNb合金靶材，采用反應(yīng)性直流濺射成功制備了TiCrZrNb金屬薄膜和TiCrZrNbNx氮化物薄膜。他們在TiCrZrNb合金中發(fā)現(xiàn)了HCP固溶相(按原子比例)，但HCP相不是獨(dú)立存在的，它位于枝晶間區(qū)域，基體為BCC相。近年來，以鑭系稀土元素為主的HEAs被大量設(shè)計(jì)出來，這類HEAs往往具有HCP結(jié)構(gòu)，F(xiàn)euerbacher等[28]在合金體系HoDyYGdTb中發(fā)現(xiàn)等原子樣品凝固為均勻的單相HCP結(jié)構(gòu)，他們用電子衍射和高分辨率掃描透射電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)與Mg型六邊形結(jié)構(gòu)一致，同時(shí)討論了密排六方HEAs在其他合金體系中應(yīng)用的可能性。

3.2 雙相結(jié)構(gòu)高熵合金

Kao等[29]對AlxCoCrFeNi合金的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行詳細(xì)、系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)單一的FCC和單一的BCC相以及雙FCC-BCC相是AlxCoCrFeNi合金的主要相。鑄態(tài)CoCrFeNi合金具有純FCC固溶相。隨著Al摩爾百分?jǐn)?shù)從0增加到2，AlxCoCrFeNi體系從FCC相轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC+BCC相，最終轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏腂CC相。Li等[30]從等摩爾比CoCrFeNiMn系統(tǒng)轉(zhuǎn)變到非等原子的Fe80-xMnxCo10Cr10(原子百分比)系統(tǒng)，從高溫單相區(qū)冷卻后，該部分馬氏體以FCC相向HCP相轉(zhuǎn)變，F(xiàn)e50Mn30Co10Cr10HEAs有BCC+HCP兩相結(jié)構(gòu)。此研究還發(fā)現(xiàn)雙相組織增強(qiáng)了反晶和晶粒間的抗滑移性，從而提高了強(qiáng)度。此外，通過位錯硬化穩(wěn)定相和變形誘導(dǎo)硬化亞穩(wěn)態(tài)相，提高了應(yīng)變硬化能力，從而提高了延性。He等[31]研究了鋁的加入對CoCrFeNiMn體系結(jié)構(gòu)演變和拉伸性能的影響，他們發(fā)現(xiàn)隨著鋁濃度的增加，結(jié)晶結(jié)構(gòu)由原來的FCC相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p相FCC結(jié)構(gòu)和BCC結(jié)構(gòu)，再轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗郆CC結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)的變化，拉伸性能也發(fā)生了相應(yīng)的變化。在雙相混合結(jié)構(gòu)區(qū)，合金表現(xiàn)為強(qiáng)度急劇增加但延性降低。Chen等[32]利用價(jià)電子濃度(VEC)來平衡FCC和BCC兩相從而得到不同強(qiáng)度和延性的HEAs。研究表明，高VEC有利于形成提高延性的FCC相，而低VEC有利于形成強(qiáng)度增強(qiáng)的BCC相。通過調(diào)控VEC有利于設(shè)計(jì)平衡HEAs的強(qiáng)度和延性，已成為一種普適性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法。

目前，絕大多數(shù)學(xué)者都關(guān)注于生成單相的HEAs，而生成多相的HEAs的研究很少。相比目前廣泛應(yīng)用的高溫合金如鎳基高溫合金，其優(yōu)異的性能主要是由于第二相的存在，因此研究具有兩相組織或穩(wěn)定氧化物彌散的HEAs以提高高溫性能具有十分廣闊的應(yīng)用前景[33]。

3.3 中間相和其他復(fù)雜相

雖然HEAs的高熵阻礙了金屬間化合物的形成和相分離的發(fā)生，促進(jìn)了固溶相的形成，但是影響HEAs形成的因素很多，包括混合焓、原子尺寸差、價(jià)電子濃度等。中間相或復(fù)雜的多相共存是由于某些化學(xué)相容元素的存在而形成的[2]。Li等[34]發(fā)現(xiàn)在FeNiCrCuZr合金中加入Zr時(shí)，由于Zr與其他成分之間有較強(qiáng)的化合物形成傾向，所以除了BCC相外，合金中還有金屬間化合物沉淀。

3.4 納米結(jié)構(gòu)

HEAs晶體中的晶格畸變效應(yīng)和緩慢擴(kuò)散效應(yīng)嚴(yán)重阻礙了晶粒的成核和生長，因此，一些HEAs在鑄態(tài)或完全回火狀態(tài)下會析出納米相甚至非晶相[35]。He等[36]用實(shí)驗(yàn)證明了在單相FCC-FeCoNiCr HEAs中加入少量的鈦和鋁可以在合金基體中形成L12共格納米尺寸的析出物。隨后，合金的屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度都大幅度提高。Liang等[37]提出一種通過相分離設(shè)計(jì)具有高含量納米沉淀物的超強(qiáng)型HEA的策略。他們開發(fā)了一種非等原子合金，利用旋節(jié)線分解來創(chuàng)建低失配相干納米結(jié)構(gòu)，將近等原子無序的面心立方(FCC)基質(zhì)與高含量的延性Ni3Al型有序納米沉淀相結(jié)合。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對于沒有納米沉淀的HEAs，這種旋節(jié)狀有序無序納米結(jié)構(gòu)有助于使強(qiáng)度約增加1.5 GPa(>560%)，在先前報(bào)道的所有本體HEAs中達(dá)到了最高的拉伸強(qiáng)度(1.9 GPa)，同時(shí)保持了良好的穩(wěn)定性、延展性(>9%)。Gludovatz等[38]檢測了一種五元HEAs CrMnFeCoNi，發(fā)現(xiàn)其機(jī)械性能在低溫下實(shí)際上提高了，隨著溫度從293 K降到77 K，屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別增長了85%和70%，達(dá)到759 MPa和1280 MPa，斷裂韌性幾乎保持不變。在77 K溫度下觀察到變形誘導(dǎo)的納米級雙晶，它們有助于提高低溫下的延性和應(yīng)變硬化，此納米雙晶的附加塑性機(jī)制對于在降低溫度下保持高水平的應(yīng)變硬化至關(guān)重要；反過來又起到了增強(qiáng)拉伸延性的作用，再加上低溫下較高的強(qiáng)度，在77 K以下保持了該合金特殊的斷裂韌性。

4 高熵合金的性能

HEAs不僅因其形成獨(dú)特的多組分固溶相，而且具有優(yōu)異的綜合性能而被廣泛研究。HEAs在力學(xué)行為方面表現(xiàn)出高硬、高強(qiáng)、耐蝕、耐磨、耐熱性等優(yōu)異的性能，同時(shí)具有其他優(yōu)異的性能，如優(yōu)異的熱電性能、極高的電阻率、良好的軟磁性能，從而受到全世界材料學(xué)界的廣泛關(guān)注。

4.1 硬度

與其他傳統(tǒng)合金相比，HEAs具有更高的硬度，如316不銹鋼在鑄態(tài)的硬度為(200±20)HV,哈氏合金在鑄態(tài)的硬度為(200±20)HV，TC4在鑄態(tài)的硬度為(400±20)HV[3]，而PRAVEEN等[39]制備的AlCoCrCuFe硬度為(770±10)HV。其他實(shí)驗(yàn)所制備的HEAs的硬度大多都在600 HV以上。

4.2 抗拉性能

HEAs的晶體結(jié)構(gòu)對拉伸性能有很大的影響。He等[31]發(fā)現(xiàn)雙相合金具有較好的強(qiáng)度和延性，他們發(fā)現(xiàn)(FeCoNiCrMn)89Al11合金抗拉強(qiáng)度超過1000 MPa，而延伸率為5%。具有雙相的AlCoCrFeNi2.1合金也具有良好的拉伸性能，伸長率和斷裂強(qiáng)度分別為23%和1200 MPa[40]。Diao等[41]總結(jié)了HEAs和常規(guī)合金在室溫至1900 K范圍內(nèi)的屈服強(qiáng)度。Sun等[42]研究了晶粒尺寸影響加工硬化行為和變形機(jī)制，發(fā)現(xiàn)CoCrFeNiMn的晶粒尺寸從88.9 μm到503 nm時(shí)，屈服強(qiáng)度從236 MPa增加到888 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1250 MPa左右。Li等[43]研究了5種不同的FeCoNiCr HEAs纖維的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在HEA纖維的拉伸試驗(yàn)中，析出物和細(xì)晶粒都有助于纖維的持久高強(qiáng)度和延性，特別是直徑為1.00 mm的纖維在298 K時(shí)表現(xiàn)出了顯著的抗拉強(qiáng)度和延性(1207 MPa和7.8%)，在77 K時(shí)分別提高到1600 MPa和17.5%。與298 K時(shí)的平面滑移變形機(jī)制不同，77 K時(shí)變形后出現(xiàn)了形變誘導(dǎo)的納米尺度雙晶，使材料在77 K時(shí)的拉伸強(qiáng)度和延性有所提高。

4.3 斷裂韌性

HEAs表現(xiàn)出許多獨(dú)特的流動和斷裂行為，但目前只有很少的斷裂韌性研究報(bào)告。SEIFI等[44]發(fā)現(xiàn)真空電弧鑄造的Al0.2CrFeNiTi0.2在200 ℃溫度下的斷裂韌性為32 MPa·m1/2。Zhang等[45]采用激光熔覆法制備了由板條馬氏體相組成的FeCoNiCrCuTiMoAlSiB0.5高熵合金，該合金具有51 MPa·m1/2的斷裂韌性。

4.4 抗腐蝕性

在某些高濃度腐蝕性溶液條件下，HEAs表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性[46]。Shuang等[47]開發(fā)了一種新型納米結(jié)構(gòu)的HEAs，由于其致密的表面高熵氧化膜與納米結(jié)構(gòu)的結(jié)合，該HEAs具有優(yōu)異的耐腐蝕性。根據(jù)他們的設(shè)想，遵循“共晶納米結(jié)構(gòu)高熵”的設(shè)計(jì)模式，通過進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)細(xì)化，并添加適量的元素(如鋁和鈦)，可以設(shè)計(jì)出更耐腐蝕的HEAs。

4.5 耐磨性

HEAs具有優(yōu)異的耐磨性。Hsu等[48]研究了B含量對耐磨性能、高溫抗壓強(qiáng)度、腐蝕性能、抗拉強(qiáng)度和塑性性能的影響，結(jié)果表明隨著B含量的增加、析出硼化物的量增加，耐磨性能和高溫抗壓強(qiáng)度有了明顯的提高。Lee等[49]發(fā)現(xiàn)當(dāng)B含量增加時(shí)，CuCoNiCrAl0.5FeBx的耐磨性下降。隨著銅含量的增加，銅在枝晶間的偏析導(dǎo)致局部耐蝕性下降。Poletti等[50]采用一種新的預(yù)測方法合成了一種新的HEAs。該合金的性能與作為汽車發(fā)動機(jī)閥門涂層耐磨材料的基準(zhǔn)商用合金(鎢鉻鈷合金)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，在一定的耐磨性條件下，F(xiàn)eCoCrNiW0.3的耐磨性明顯低于FeCoCrNiW0.3+5% C和商用鎢鉻鈷合金。值得注意的是，F(xiàn)eCoCrNiW0.3+5% C劃痕硬度，等于(4.5±0.3)GPa，完全可與鎢鉻鈷合金((4.3±0.3)GPa)相媲美。

4.6 耐熱性能

耐熱HEAs是一類新型的多元合金，在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，這對其應(yīng)用非常重要[51]。NbMoTaW合金在1373 K高溫下連續(xù)3天比耐熱金屬鎢具有更好的性能保留[52]。與此同時(shí)，具有這些優(yōu)良性能的高溫超導(dǎo)材料，也為納米級器件的研究開辟了一條新的途徑。Praveen等[53]發(fā)現(xiàn)，在高溫(973～1173 K)并延長600 h的時(shí)間下，超細(xì)顆粒的CoCrFeNi HEAs表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，樣品暴露在973 K下600 h，硬度變化很小，與此同時(shí)，在1073 K和1173 K時(shí)，600 h后硬度的下降幅度分別為9.5%和25%。

4.7 抗氧化性

對于HEAs的氧化行為，蔣繼超等[54]研究了850 ℃在靜態(tài)空氣中AlCuTiFeNiCr高熵合金的高溫氧化行為，研究表明，高熵合金包含多種元素，并且氧化過程很復(fù)雜，在高溫下，所有元素都參與氧化并形成復(fù)合氧化物。隨著氧化的進(jìn)行，氧化速率逐漸降低。同時(shí)發(fā)現(xiàn)BCC結(jié)構(gòu)具有良好的抗氧化作用。鄭必舉等[55]采用激光熔覆技術(shù)在45#鋼基底上制備了AlxCrFeCoCuNi(x=0.5，2.0，4.0)高熵合金涂層，研究了Al含量x對涂層的抗氧化性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明在900 ℃大氣氣氛下AlxCrFeCoCuNi高熵合金涂層具有良好的抗氧化性能，并發(fā)現(xiàn)隨著Al含量的增加，涂層表明生成了Al2O3和Cr2O3的保護(hù)膜，從而導(dǎo)致AlxCrFeCoCuNi高熵合金涂層抗氧化性能不斷提高。

4.8 其他性能

HEAs還具有其他優(yōu)異的性能，如優(yōu)異的熱電性能[56]、極高的電阻率[57]，同時(shí)，HEAs還具有良好的軟磁性能[58]。

5 高熵合金的應(yīng)用

由于高熵合金具有優(yōu)異的性能，在許多領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。HEAs可用于焊接工程領(lǐng)域，例如用作兩種合金之間的過渡層，形成獨(dú)特的高熵合金焊縫，用于提高鈦/鋼焊接接頭力學(xué)性能[59]；利用其高硬度、高耐磨性、高強(qiáng)度及優(yōu)良的耐高溫性能、耐蝕性，制備各類工、模具[60]；利用其極高的耐輻射性和高耐腐蝕性，用在核工業(yè)領(lǐng)域，制成核燃料和高壓容器的包層材料；利用其優(yōu)異的耐磨性開發(fā)耐磨涂層或模具材料，例如激光熔覆高熵合金涂層刀具表面硬度高，摩擦因數(shù)小，斷屑效果好，被加工材料表面光潔度高[61]；利用其良好的塑性，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；難熔金屬HEAs可用作隔熱涂層；HEAs碳化物和氮化物可以用作生物醫(yī)學(xué)涂層[62]；輕質(zhì)HEAs可用作移動設(shè)施，如電池負(fù)極材料；HEAs優(yōu)異的高溫性能可替代鎳基高溫合金(例如AlCoCrFeNi)用于航空航天領(lǐng)域[6]。

6 結(jié)語及展望

本文綜述了HEAs的4個(gè)核心效應(yīng)、典型制備方法、典型結(jié)構(gòu)及性能。雖然全世界科研人員對HEAs進(jìn)行了多年研究，但是對HEAs的研究依然停留在初級階段，因此需要不斷對HEAs進(jìn)行更加深入的研究。通過對HEAs的組織、結(jié)構(gòu)和性能的研究，可以不斷拓展合金研究的新思路和新方向。此外，還需深入系統(tǒng)地研究HEAs的4個(gè)核心效應(yīng)，明確HEAs中不同元素的協(xié)同作用，并通過開發(fā)可靠的實(shí)驗(yàn)方法，制造出在常規(guī)合金中難以獲得的微觀結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的性能。從應(yīng)用的角度來看，提高HEAs的塑性而不降低其他性能，包括室溫和高溫強(qiáng)度、抗蠕變性、可鑄性、可加工性、耐腐蝕性、抗氧化性和疲勞性能是至關(guān)重要的。未來的研究將深入理解HEAs微觀結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，并為改善HEAS整體性能提供可能的方法，進(jìn)而探索其工業(yè)應(yīng)用。