王先珍，王一涵，俞嘉彬，王輝，劉雄軍，吳淵

高熵合金性能特點與應(yīng)用展望

王先珍a，王一涵b，俞嘉彬b，王輝b，劉雄軍b，吳淵b

（北京科技大學(xué) a.新材料技術(shù)研究院 b.新金屬材料國家重點實驗室，北京 100083）

新材料的開發(fā)與應(yīng)用不斷的影響著社會的發(fā)展與進(jìn)步。高熵合金是以構(gòu)型熵為主設(shè)計的一類新型多組元材料，是近年來涌現(xiàn)出來的具有優(yōu)異性能的金屬材料。由于其化學(xué)無序同時又短程有序的結(jié)構(gòu)特點，具有高韌、高硬、高耐蝕、耐輻照、高熱穩(wěn)定等諸多獨特的性能和應(yīng)用前景，因而受到了越來越多的關(guān)注。本文回顧了高熵合金材料的發(fā)展現(xiàn)狀，尤其基于高熵合金的結(jié)構(gòu)特性對其性能特點進(jìn)行了總結(jié)和探討。

高熵合金；性能；應(yīng)用

高性能材料是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和國家戰(zhàn)略安全的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是建設(shè)制造強國和創(chuàng)新型國家的關(guān)鍵支撐。傳統(tǒng)的材料開發(fā)多基于焓的概念進(jìn)行，經(jīng)過幾千年的發(fā)展，開發(fā)了眾多性能優(yōu)異的關(guān)鍵材料，極大地推動了人類社會的發(fā)展。但傳統(tǒng)的材料設(shè)計理念突破空間越來越小。為滿足人類社會發(fā)展對高性能材料的更高要求，亟需新的材料設(shè)計理念。作為我國七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和“中國制造2025”重點發(fā)展的十大領(lǐng)域之一，新材料產(chǎn)業(yè)被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Σξ磥戆l(fā)展有著巨大影響的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)?！笆奈濉逼陂g，前沿新材料以構(gòu)筑未來競爭新優(yōu)勢為主攻方向。面向國際科技前沿，把握未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，加強基礎(chǔ)研究和知識產(chǎn)權(quán)布局，培育一批變革性材料，打造有望引領(lǐng)未來發(fā)展的新產(chǎn)品，支撐未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展。而這些年涌現(xiàn)出的高熵合金材料基于熵的理念開發(fā)設(shè)計新型高性能材料，逐漸引起世界各國的廣泛興趣[1-4]。從熵的角度出發(fā)，材料可以分為低熵、中熵、高熵材料[5]。金屬材料、陶瓷材料、聚合物材料等各類材料均可通過熵的概念進(jìn)行劃分，并基于熵的理念進(jìn)行開發(fā)，極大地拓展了材料開發(fā)的空間。以金屬材料為例，傳統(tǒng)的合金開發(fā)方案多位于相圖的邊角部位，合金的設(shè)計往往是基于1種或2種主要元素，通過添加其它少量元素或微合金化得到所需性能。但相圖中間部位的更大空間往往被忽視。基于高熵理念的材料開發(fā)正是將相圖中間部位的更大空間利用起來進(jìn)行材料設(shè)計和開發(fā)（如圖1）。高熵合金又稱多主元、等原子比或近等原子比多組元合金。多主元的特點使得高熵合金擁有高混合熵[2]、晶格畸變[7]、緩慢擴散[8]、高溫穩(wěn)定[9]等結(jié)構(gòu)和性能特點以及類似雞尾酒效應(yīng)[10]的復(fù)合效應(yīng)。

圖1 傳統(tǒng)合金設(shè)計與高熵合金設(shè)計在相圖上所處的不同空間[6]

1 高熵合金材料發(fā)展概況

由于高熵合金具有高強度、高韌性、抗輻照、耐高溫、耐腐蝕等特殊的物理、化學(xué)及力學(xué)特性和廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景和研究意義，同時蘊含著豐富的科學(xué)問題，高熵合金目前已經(jīng)成為金屬材料研究領(lǐng)域的熱點之一。

自2004年高熵合金概念提出以來，已開發(fā)和大量研究的合金體系大體可以分為兩大類：一類是以Al及第四周期元素Fe、Co、Ni、Cr、Cu、Mn、Ti為主的合金系[11-17]；一類是以難熔金屬元素Mo、Ti、V、Nb、Hf、Ta、Cr、W等為主的難熔高熵合金系[18-20]。此外，還有基于稀土元素的密排六方結(jié)構(gòu)（HCP）高熵合金[19]，以及不斷涌現(xiàn)的其他新型高熵合金。目前研究最廣泛的高熵合金是FeCoNiCrMn，其具有單一的面心立方（FCC）單相組織，室溫下的抗拉強度為563 MPa，伸長率達(dá)52%[1]。此外，高熵合金引人注目的是在各種極端條件下能具有獨特的性能，譬如高溫條件下，常用的Ni-Al系高溫合金自身熔點約1 400 ℃，這就限制該類合金的最高使用溫度為1 100～1 150 ℃，而難熔高熵合金系組成元素多為高熔點元素，本身具有較高的熔點，可以在更高的溫度下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。例如MoNbHfZrTi合金在1 450 ℃時仍能保持相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并具有優(yōu)異的高溫強度和抗高溫軟化能力[21]。

近年來，高熵合金領(lǐng)域開展了大量而全方位的研究，幾乎涵蓋了材料科學(xué)研究所需涉及的每個方面，包括結(jié)構(gòu)、成分設(shè)計和制備，相變與相形成規(guī)律，計算模擬，高強韌高熵合金及其強韌化機理，極低溫與超高溫服役性能，抗腐蝕性能，抗輻照應(yīng)用，動態(tài)沖擊性能，磁性、超導(dǎo)等物理性能研究及應(yīng)用等。

近年來高熵合金的研究取得了很多突破性進(jìn)展，美國橡樹嶺國家實驗室和美國勞倫斯伯克利國家實驗室的學(xué)者[22]發(fā)現(xiàn)，單相FCC結(jié)構(gòu)的高熵合金在低至液氮溫度時比室溫具有更好的塑性和強度，實現(xiàn)了塑性和強度的同時提高。德國馬普學(xué)會鋼鐵所的Raabe等[23-24]，發(fā)現(xiàn)高熵合金具有極高的強塑積和應(yīng)變強化能力。美國空軍實驗室研發(fā)出了在極高溫度下具有高的強度和塑性的VNbMoTaW等摩爾比高熵合金[25-26]。美國北卡萊羅納大學(xué)的Khaled等通過球磨技術(shù)從高熵合金中獲得比強度最高的金屬合金。臺灣清華大學(xué)設(shè)計的耐磨性遠(yuǎn)超SUJ2耐磨鋼的Co1.5CrFeNi1.5Ti和Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti高熵合金。美國能源實驗室Zhang等[27]使用CALPHAD方式成功實現(xiàn)了高熵合金相圖的計算，并詳細(xì)論述了計算的整個過程和細(xì)節(jié)。呂昭平等[28]研究了氧、氮對難熔高熵合金強度和塑性的影響，發(fā)現(xiàn)氧的加入促使難熔高熵合金TiZrHfNb中形成了納米尺寸的有序氧復(fù)合體，使得位錯的滑移方式由平面滑移轉(zhuǎn)變?yōu)榻换?，從而顯著提高了合金的強度和塑性。余倩等[29]揭示了高熵合金中晶格調(diào)控力學(xué)性能的特殊機制。發(fā)現(xiàn)高熵合金中獨特的濃度波調(diào)控，是一種可控和高效的材料強韌化方法。這些研究都為人們高效地尋找到更優(yōu)秀的合金材料提供了基礎(chǔ)。

2 高熵合金材料的性能特點

由于高熵合金不同于傳統(tǒng)金屬材料的結(jié)構(gòu)特點，使其表現(xiàn)出多方面的優(yōu)異的性能特點，主要概述如下：

1）可同時具有高強度、高韌性，高強塑積性能。高熵合金在保持高強度的同時，伸長率可以超過70%，呈現(xiàn)出很高的能量吸收能力。例如，AlCoNiCrFeTi高熵合金具有極高的屈服應(yīng)力、斷裂強度、塑性變形和加工硬化能力，特別當(dāng)=0.5時，其屈服強度超過了2.2 GPa，而且還能保持25%的壓縮塑性伸長率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他的高強度合金[11]。在強度–韌性關(guān)系圖上（圖2），高熵合金都位于各種材料性能值的右上方，具有優(yōu)異的強度韌性綜合性能，可用于多個領(lǐng)域所需的高強度結(jié)構(gòu)材料。

圖2 各種材料強度–斷裂韌性關(guān)系[22]

2）可實現(xiàn)輕量化，具有輕質(zhì)高強性能。由于包含多種主元，高熵合金可以看作是原子尺度的復(fù)合材料。因此，除了各元素對于微觀組織的間接影響外，元素的基本特性以及它們之間的相互作用使得高熵合金呈現(xiàn)出一種復(fù)合效應(yīng)，即“雞尾酒效應(yīng)”，可將輕合金元素大量加入降低合金的密度，實現(xiàn)輕量化，由于高熵合金同時具有寬溫域服役、高強韌特性，因此在輕質(zhì)高強材料方面具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

3）低溫韌性好，溫度降低時沒有傳統(tǒng)合金的韌脆轉(zhuǎn)變，可在寬溫域范圍內(nèi)用作結(jié)構(gòu)材料。高熵合金能夠適應(yīng)低溫環(huán)境，當(dāng)溫度從室溫降低到零下200 ℃時，強度和塑性同時提高，其低溫斷裂韌性極高。FeCoNiCrMn高熵合金在?196 ℃（液氮溫度）抗拉強度為985 MPa，伸長率達(dá)65%，其低溫斷裂韌性達(dá)到200 MPa·m1/2（圖3）[22]。而低碳鋼最低使用溫度在零下90 ℃以內(nèi)，低溫抗拉強度500～750 MPa，伸長率在10%～40%，傳統(tǒng)Ni基合金最大抗拉強度為760 MPa，伸長率也比高熵合金低。由于在寬溫域條件下，尤其是低溫條件下的優(yōu)異性能，高熵合金可用于極地材料，空間材料等。

圖3 高熵合金低溫拉伸性能（a）和斷裂韌性（b）[22]

4）高溫穩(wěn)定性好，高溫強度高，抗高溫軟化性能好。由于高熵合金具有高的相穩(wěn)定性[30-31]，使其不與基板材料發(fā)生反應(yīng)，同時具有低的擴散系數(shù)，使其對原子和擴散具有很大的阻力，因此可用作熱擴散屏障材料。例如，F(xiàn)eCoNiCr高熵合金經(jīng)過750 ℃、800 h退火后的組織仍然維持單相FCC結(jié)構(gòu)不變。FeCoNiCr高熵合金在900 ℃的溫度下晶粒生長速度也異常緩慢。對于熱鍛態(tài)的FeCoNiCrMn高熵合金，1 000 ℃高溫變形時的伸長率達(dá)到了驚人的860%，展現(xiàn)出了明顯的超塑性行為。難熔高熵合金具有很大的高溫應(yīng)用潛力，NbMoTaWV高熵合金體系在1 600 ℃還能保持超過400 MPa的屈服強度，并具有超過傳統(tǒng)高溫合金的抗高溫軟化能力（圖4）[32]。此外，有些難熔高熵合金還具有一定的抗氧化性能，在1 200 ℃時，氧化增重曲線仍遵循拋物線規(guī)律，可用作高溫涂層材料[33]。

5）抗輻照性能好，抗熱沖擊性能好、同時耐高溫、抗腐蝕，有望應(yīng)用于核能結(jié)構(gòu)材料。先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計要求核結(jié)構(gòu)材料能夠耐受更大輻照劑量，高熵合金具有可調(diào)節(jié)的原子級應(yīng)力，例如ZrHfNb系高熵合金可以抵抗至少10 dpa劑量的輻照，而傳統(tǒng)的Ni基合金抗輻照的飽和值為0.1～1 dpa之間。已有研究表明，高熵合金在輻照損傷條件下具有“自修復(fù)”功能（圖5），能夠大幅度提高其抗輻照性能[34]。

6）高硬度，高耐磨性，可用作耐磨材料。某些高熵合金其屈服強度和斷裂強度可以達(dá)到1 800～ 3 200 MPa，顯微硬度可以從五組元時的600HV增加到八組元時的1 100HV（圖6）[4]，加工硬化系數(shù)比相同晶體結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)合金上限更高，耐磨性能優(yōu)于傳統(tǒng)工具鋼軸承鋼，可用于耐磨涂層、切割刀具、高強構(gòu)件等。

7）優(yōu)異的抗腐蝕性能，可用于耐腐蝕材料、海洋環(huán)境用材料。由于高熵合金的“過飽和固溶體”特性，可以加入大量的抗腐蝕元素，同時由于高熵合金的結(jié)構(gòu)特征，不易產(chǎn)生點蝕，目前研究表明高熵合金在多種腐蝕性介質(zhì)中，包括酸性、堿性、海洋性環(huán)境，具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，可用于海洋環(huán)境下的抗腐蝕材料。例如，F(xiàn)e系高熵合金在酸性環(huán)境中的抗腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于304S不銹鋼（如圖7）[35]。

圖4 高熵合金高溫性能（a）和抗高溫軟化能力（b）[32]

圖5 高熵合金輻照條件下自修復(fù)原理示意圖[34]

圖6 高熵合金的耐磨性能（a）和硬度特點（b）[4]

8）熱膨脹系數(shù)低且高溫恒定，可用作精密零部件材料。傳統(tǒng)合金在溫度超過600 ℃時往往有膨脹系數(shù)的升高，而研究表明高熵合金可在高達(dá)1 000 ℃的范圍內(nèi)具有低且恒定的熱膨脹系數(shù)（圖8），可以用于精密零部件，尤其是高溫精密零部件。

圖7 高熵合金耐腐蝕性與304S不銹鋼對比[35]

圖8 高熵合金的低熱膨脹性能

9）生物相容性好，低模量，可用于生物材料。利用過飽和固溶效應(yīng)，可融合大量生物相容元素，且可在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)彈性模量，合成具有優(yōu)異生物相容性且模量接近人骨的植入物材料；通過調(diào)整Cu、Ag等金屬含量，可獲得殺菌效果。目前已有部分生物高熵合金體系正在研發(fā)，并完成了部分生物實驗，可繼續(xù)進(jìn)行生物實驗并推動臨床應(yīng)用。

10）軟磁性能好。通過合理的成分設(shè)計及工藝優(yōu)化，高熵合金可以表現(xiàn)出非常高的電阻率、并具有高的飽和磁化強度和低的矯頑力，在軟磁方面具有很好的應(yīng)用前景。例如，CoFeNi(AlSi)0.2高熵合金飽和磁化強度為1.15 T，電阻率為69.5 μΩ·cm，且具有良好的延展性；而常用的Fe–Al軟磁合金電阻率高達(dá)150 μΩ·cm，F(xiàn)e–Ni系軟磁合金飽和磁化強度僅為0.7～1.0 T[36]。目前有實驗室性能測試，可進(jìn)行進(jìn)一步性能優(yōu)化和應(yīng)用研究。

此外，用于傳統(tǒng)合金的各種冷、熱加工、后處理等工藝手段可用于進(jìn)一步改變和優(yōu)化高熵合金性能，通過真空電弧熔煉技術(shù)、機械合金化技術(shù)、感應(yīng)熔煉技術(shù)、磁控濺射技術(shù)、熱噴涂法、激光熔覆技術(shù)、3D打印技術(shù)等不同的制備方法可以有效的把高熵合金的這些優(yōu)異性能綜合運用到工程實際中，服務(wù)于各行各業(yè)。由于以上優(yōu)異性能，高熵合金可望能為發(fā)動機用超高溫材料、抗輻照核能用材料、極地材料、低溫服役裝置用材料、航空航天輕質(zhì)材料等重要工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供關(guān)鍵材料的選擇和支撐。

3 高熵合金的挑戰(zhàn)探討

高熵合金研究的初期階段，人們把高熵合金結(jié)構(gòu)和性能上的獨到之處總結(jié)為四大效應(yīng)[2]，包括高熵效應(yīng)、遲滯擴散、晶格畸變以及“雞尾酒”效應(yīng)。高熵效應(yīng)源于多種主要元素使得體系具有高的構(gòu)型熵，抑制了金屬間化合物的形成，極大提升了形成簡單固溶體的概率，拓展了合金設(shè)計的邊界；由于多主元共同構(gòu)成一個固溶體相，每個原子均被不同元素原子所包圍，無溶質(zhì)和溶劑之分，因此普遍的原子尺寸差異會在整個體系范圍內(nèi)產(chǎn)生強烈的晶格應(yīng)力場，從而導(dǎo)致晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變；同樣地，不同元素自擴散速率不一，在高熵合金內(nèi)共同構(gòu)成復(fù)雜且多樣的原子環(huán)境，它們的運動互相牽制，擴散路徑更加崎嶇，因此各主元在體系當(dāng)中的擴散速率普遍放緩；而“雞尾酒”效應(yīng)，則可以簡單理解為參與組成合金的不同元素特性的耦合作用，這種作用具有某種不確定性，有時能夠產(chǎn)生意想不到的效果。雖然高熵合金成分設(shè)計靈活、性能調(diào)控空間充足，但就以上四大效應(yīng)如何在高熵合金中起到相應(yīng)的作用還存在爭議，諸多有關(guān)高熵合金的基礎(chǔ)科學(xué)問題亟待解決。因此，高熵合金的發(fā)展與應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括但不限于以下3個方面進(jìn)：（1）高熵合金獨特性能存在結(jié)構(gòu)起源，即明確高熵合金的三維結(jié)構(gòu)特征存在困難；（2）高強度高熵合金尤其是BCC體系的部分高熵合金存在一定的室溫脆性，并缺少足夠的加工硬化能力；（3）高熵合金由于其獨特的結(jié)構(gòu)特點，傳統(tǒng)強韌化理論的應(yīng)用需要拓展。

3.1 三維結(jié)構(gòu)不明確

高熵合金從首次發(fā)現(xiàn)至今，大多數(shù)研究都是基于經(jīng)典的理想固溶體假設(shè)，即合金內(nèi)各元素原子完全無序隨機占位。然而，高熵合金的理想固溶體理論基礎(chǔ)在近年來受到挑戰(zhàn)，越來越多的研究結(jié)果表明，由于高熵合金多主元元素之間復(fù)雜的耦合作用，不同元素的原子在晶格格點上的排布并不是隨機無序的，使得高熵合金在凝固或者熱處理后，呈現(xiàn)宏觀長程無序、局域短程有序的特殊結(jié)構(gòu)，并且局域短程有序會顯著影響高熵合金的性能[37-39]。目前，領(lǐng)域內(nèi)學(xué)者開始高度重視高熵合金中的局域短程有序的結(jié)構(gòu)特征及其對高熵合金力學(xué)行為的影響。

截至目前，有關(guān)典型高熵合金中短程有序?qū)τ诓牧闲阅苌钊氲恼{(diào)控機理尚不明晰，尤其是一些定量化的分析；并且高熵合金中短程序?qū)αW(xué)性能的影響，目前已有的研究結(jié)果之間也存在部分爭議。例如，在同樣FCC結(jié)構(gòu)NiCoCr合金體系當(dāng)中，Zhang等[38]通過調(diào)控合金的工藝參數(shù)，從實驗當(dāng)中直接觀察到了短程序結(jié)構(gòu)，并由此提高了合金的層錯能和硬度；但Yin等[39]從霍爾佩奇尺寸關(guān)系和錯配能的角度，提出短程序結(jié)構(gòu)在此合金體系內(nèi)的存在存疑，并且短程序結(jié)構(gòu)無法對于合金的屈服強度和錯配量產(chǎn)生明顯的積極影響，對于力學(xué)性能的影響可以忽略不計。因此，目前在高熵合金體系中，對短程有序的調(diào)控及其對材料性能的影響還有待深入研究。

3.2 高強度高熵合金的室溫脆性

高強度高熵合金，尤其是以單相BCC結(jié)構(gòu)占主體的難熔高熵合金擁有較高的室溫強度和高溫力學(xué)性能，具有優(yōu)異的高溫應(yīng)用潛力，但往往只有較小的壓縮塑性，具有滿足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)拉伸塑性的合金體系更是少之又少[40]?？傮w而言，難熔高熵合金存在一定的室溫脆性，且普遍缺乏加工硬化能力。

高強度高熵合金高強低韌的特性導(dǎo)致絕大部分相關(guān)工作仍停留在研究壓縮力學(xué)性能，對難熔高熵合金拉伸性能的研究很少。對拉伸性能的研究主要集中在TaNbHfZrTi體系，因為此體系為難熔高熵合金中室溫塑性較好的合金體系之一，因此有眾多研究工作針對該體系進(jìn)行合金設(shè)計與微觀組織調(diào)控，希望得到強度與塑性匹配良好的難熔高熵合金。例如Huang等[41]設(shè)計的TaHfZrTi難熔高熵合金，利用TRIP效應(yīng)誘導(dǎo)亞穩(wěn)態(tài)第二相（HCP相）的形成，使體系內(nèi)雙相隨應(yīng)變進(jìn)行動態(tài)分配，產(chǎn)生強烈的應(yīng)變硬化效應(yīng)，促進(jìn)晶粒內(nèi)部的塑性變形，有效地抑制了早期開裂，實現(xiàn)強度和塑性的結(jié)合。然而，囿于高強度高熵合金的晶格結(jié)構(gòu)本質(zhì)，變形方式普遍由螺位錯滑移主導(dǎo)，如何進(jìn)一步提升其韌塑性，大幅改善其加工硬化能力，一直是領(lǐng)域內(nèi)工作者致力的目標(biāo)。

3.3 變形行為和強韌化機理需從傳統(tǒng)理論拓展

高熵合金由于其獨特的結(jié)構(gòu)特點，使得部分適用于傳統(tǒng)合金的強韌化理論用于高熵合金時需要拓展。在此主要以高熵合金的兩個顯著本征特點——化學(xué)無序和晶格畸變?yōu)槔?，介紹高熵合金在強韌化理論上面臨的挑戰(zhàn)。

高熵合金構(gòu)成主元數(shù)眾多，無明顯的溶質(zhì)和溶劑之分，即所有元素都可以互為溶質(zhì)/溶劑，這就導(dǎo)致了以單一元素種類為溶劑的傳統(tǒng)強韌化理論公式不再適用。因此，探索出一套適用于高熵合金變形行為和強韌化機理非常必要，需要傳統(tǒng)理論延伸與拓展。

根據(jù)Hume–Rothery提出的經(jīng)驗準(zhǔn)則[42]，在傳統(tǒng)二元合金中單相固溶體的形成要求溶質(zhì)與溶劑原子半徑差異應(yīng)小于15%。當(dāng)多種合金元素以等原子比或近等原子比進(jìn)行混合而形成單相固溶體結(jié)構(gòu)時，不同元素通過占據(jù)不同位點而共享同一個晶格，此時本征存在的原子半徑差異會不可避免地?fù)未蠡驍D壓晶格，由此帶來彈性模量等物理性能間的不匹配，使得高熵合金的晶格結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)畸變。因此，相較于傳統(tǒng)合金，高熵合金中晶格畸變現(xiàn)象會更加顯著，而由于高熵合金的晶格畸變與其力學(xué)性能緊密相關(guān)，因此從晶格畸變角度考慮高熵合金的強韌化機理是傳統(tǒng)合金強韌化理論所不涉及的：一方面，過高的晶格畸變會使得單相固溶體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，從而導(dǎo)致第二相析出甚至非晶化[43]。另一方面，晶格畸變還會影響位錯的運動和特征，譬如伯氏矢量不再是一個定值而是一個分布，從而對強韌化機理的描述產(chǎn)生一定的挑戰(zhàn)[44]。總之，強烈晶格畸變的存在使得眾多缺陷（如位錯、層錯與晶界等）在變形過程中的演化方式與演化路徑變得崎嶇而復(fù)雜，傳統(tǒng)合金變形理論亟待擴充。

4 結(jié)語

高熵合金從第一次被報道只有十幾年的時間，雖然取得了大量的進(jìn)展，但還有諸多關(guān)鍵的科學(xué)和技術(shù)問題尚待解決。譬如，雖然人們認(rèn)識到高熵合金中的化學(xué)無序和局域非均勻性結(jié)構(gòu)的重要性，但是如何表征和描述高熵合金的化學(xué)無序和局域非均勻性，建立有效的結(jié)構(gòu)模型，還需要更加深入的工作。由于目前對高熵合金化學(xué)無序度和短程序尺度非均勻性的表征和描述，包括對晶格畸變程度和分布的描述，以及對晶格畸變的理解都還不夠深入。因此，目前對于高熵合金塑性的解釋還是基于傳統(tǒng)有序合金的微觀機制。但事實上，由于高熵合金中原子在格點隨機占位，無法區(qū)分溶劑和溶質(zhì)原子，傳統(tǒng)機制需要修正。因此，如何在精確描述高熵合金化學(xué)無序特點和短程有序度的基礎(chǔ)上，建立與其力學(xué)、物理性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步優(yōu)化其性能，還有許多工作可做。

此外，在實際應(yīng)用上應(yīng)遵循需求導(dǎo)向，針對海洋腐蝕、核能輻照、航空航天等極端環(huán)境條件下服役的需求，設(shè)計特種高性能高熵合金，并突破相關(guān)的制備加工工藝，制備出可用于寬溫域工況條件且綜合性能優(yōu)異的新型高性能高熵合金材料及構(gòu)件。

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A brief Review about Perspective and Properties of High-Entropy Alloys

Wang Xian-zhena, Wang Yi-hanb, Yu Jia-binb,Wang Huib, Liu Xiong-junb, Wu Yuanb

(a. Institute for Advanced Materials and Technology, b. State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Recently, a novel family of metallic materials was proposed where multiple principal elements are in equimolar or near equimolar ratios to maximize the configurational entropy, hence termed high-entropy alloys (HEAs). HEAs have unique structural characteristic of long-range chemical disordering with short-range ordering, which in turn gives them unique properties especially under extreme conditions. HEAs have attracted extensive attention for their unusual and attractive properties such as high toughness, high hardness, good corrosion and radiation resistance, and outstanding structural stability.Here we will make a brief review of the research work of HEAs, especially their unique properties and possible applications.

high-entropy alloy; properties; applications

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.11.008

TG11

A

1674-6457(2022)11-0073-08

2022–10–09

國家自然科學(xué)基金（52061135207，51871016）

王先珍（1971—），女，碩士，工程師，主要研究方向為高熵合金、材料性能表征。

吳淵（1980—），男，博士，教授，主要研究方向為高熵合金、非晶合金、三維原子探針。