摘 要：高熵合金是近年來提出的一種新型合金材料，具有質(zhì)量輕、強度高、剛性大、耐高溫等特性，這些特性使高熵合金有望在航天材料領(lǐng)域得到應(yīng)用。為抵抗太空環(huán)境的極端溫度變化，通過高熵化的成分設(shè)計，高熵合金能夠獲得遠高于傳統(tǒng)超合金的高溫屈服強度。由于存在孿晶變形等特殊變形機制，高熵合金顯示出良好的低溫韌性。在輕量化領(lǐng)域，可通過雞尾酒效應(yīng)使高熵合金獲得合適的比強度。在空間防護領(lǐng)域，高熵合金的自修復(fù)效應(yīng)能夠有效抵抗輻照損傷。利用合理的成分設(shè)計還能夠使高熵合金具備良好的耐磨、耐蝕性能。這些研究成果全方位顯示出高熵合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用上具有顯著優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：高熵合金；航天工程材料；輕質(zhì)合金；高溫合金；抗輻照性

中圖分類號：TG148 " 文獻標識碼：A " "文章編號：1007 - 9734 （2025） 01 - 0082 - 08

近年來，得益于對新型材料尤其是金屬材料的應(yīng)用，我國的航天科技水平不斷提升。隨著航天工業(yè)發(fā)展速度的加快，傳統(tǒng)的金屬材料已經(jīng)逐漸難以滿足航天器材料的性能需求[1]。高熵合金是基于提高組元間混合熵的成分設(shè)計理念開發(fā)出來的新型合金，主要有面心立方 、體心立方 、密排六方等結(jié)構(gòu)，具有主元多、混合熵高、晶格畸變大等特點[2]。高熵合金目前已發(fā)現(xiàn)具有多種優(yōu)異的性能，如高強度、高硬度、高耐腐蝕性、高溫穩(wěn)定性、良好的抗輻照性能等，顯示出高熵合金在航空航天、能源、醫(yī)療和化學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

航天材料是制造衛(wèi)星、火箭等航天器所需的機艙外殼、航天發(fā)動機、機載設(shè)備等所用各類材料的總稱。相較于其他領(lǐng)域，高熵合金在航天材料的應(yīng)用上具有得天獨厚的優(yōu)勢。一方面，高熵合金綜合力學(xué)性能優(yōu)異，可應(yīng)用于航天飛行器結(jié)構(gòu)部件，如飛行器外殼、發(fā)動機護板、氣閘等。另一方面高熵合金具有出色的耐高溫性能，可應(yīng)用于航天發(fā)動機的部件，如高溫葉片、內(nèi)襯、燃燒室和渦輪等。除此之外，高熵合金作為航天材料還具有低溫韌性好、比強度高、耐磨損、耐腐蝕、抗輻照等優(yōu)點。本文主要介紹了高熵合金的結(jié)構(gòu)、性能特點以及近年來在航天材料上的應(yīng)用進展，對高熵合金在航天材料各項性能上的最新研究成果進行了總結(jié)。

1 高熵合金的定義與特性

作為一種新型合金材料，高熵合金自2004年被提出以來就備受研究者的關(guān)注[4]。最初的高熵合金被定義為由五種以上等摩爾比或近等摩爾比金屬元素組成。由于構(gòu)成合金各元素比例相對均勻，各金屬元素均可視為合金主元，所以高熵合金也被稱為多主元合金。這種多主元設(shè)計的優(yōu)點在于能夠使合金獲得較高的混合熵（ΔHmixgt;1.5 R，R為摩爾氣體常數(shù)），這使得它們在微觀結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出高度的均勻性和穩(wěn)定性，傾向于形成單一固溶體結(jié)構(gòu)[5]。隨著十多年的發(fā)展，在高熵合金的研究基礎(chǔ)上又發(fā)展出混合熵略低的非等摩爾比高熵合金[6]、中熵合金[7]等，其組織結(jié)構(gòu)既可以形成單一的固溶體相，也可以形成多相混合物，但這些新型合金一般都仍保持著混合熵高于傳統(tǒng)合金的共同特征（見圖1）。

高熵合金的制備方法較多，通?？刹捎脗鹘y(tǒng)熔煉方法，如電弧熔煉、感應(yīng)熔煉等技術(shù)制得塊體合金，也可用機械合金化制取高熵合金粉末，或采用物理氣相沉積方法制成涂層（見圖2）。其中，塊體高熵合金制備的主要難度在于合金的元素種類多，熔點跨度較大。因此，分步熔煉及中間合金的合理運用是獲得理想均一組織的關(guān)鍵。

高熵合金的主要特點一般可總結(jié)為四大效應(yīng)：

（1）高熵效應(yīng)

從熱力學(xué)角度來看，高熵合金的高混合熵能夠降低合金的體系自由能，使無序多元固溶體的結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，高熵合金的系統(tǒng)吉布斯自由能可表示為[8]：

[Gmix=Hmix-TSmix] （1）

式（1）中，Hmix為熱力學(xué)混合焓，反映不同元素原子間的相互作用，一般根據(jù)各組元間對應(yīng)的二元合金混合焓結(jié)合二次型混合法則進行計算；Smix為熱力學(xué)混合熵，一般使用各組元的玻爾茲曼熵結(jié)合線性混合法則進行計算；T為絕對溫度。顯然，當混合熵Smix升高時，體系自由能下降，從而使合金的結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。此外，由于溫度T的升高對混合熵Smix具有放大作用，故高熵合金往往具備良好的熱穩(wěn)定性。

（2）雞尾酒效應(yīng)

高熵合金的“雞尾酒”效應(yīng)指不同元素能夠產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使得合金在各種環(huán)境下的宏觀性能表現(xiàn)更加優(yōu)異。傳統(tǒng)合金往往具有1 ～ 2個主元，合金的上下限往往受制于主元本身性質(zhì)，由于高熵合金具有多個主元，每一主元的性能均對高熵合金的宏觀性能起到貢獻作用，都能夠?qū)辖鸬恼w性能產(chǎn)生影響。較為典型的例子如NbMoTaW系高熵合金[9]，其所包含的主元熔點均具有較高熔點，將它們共同熔煉為均一的高熵合金后，在雞尾酒效應(yīng)作用下，展現(xiàn)出前所未有的高溫屈服強度（見圖3）。

（3）晶格畸變效應(yīng)

與單一元素形成的合金基體不同，形成高熵合金中所含的原子種類較多，當這些原子形成具有統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的固溶體時，不同原子間的直徑差異必然會導(dǎo)致嚴重的晶格畸變。根據(jù)位錯理論，位錯運動是合金塑性變形的主要方式，高熵合金中的晶格畸變效應(yīng)能夠?qū)ξ诲e運動形成阻礙作用，從而使合金強度得到提升（見圖4）。

（4）緩慢擴散效應(yīng)

高熵合金中具有的較大晶格畸變除阻礙位錯運動外，還可能會抑制各組元間的協(xié)同擴散，從而影響合金中原子的擴散速度。一些研究表明，一些高熵合金在不同溫度下的擴散系數(shù)低于傳統(tǒng)合金中的擴散系數(shù)。還有一些研究僅在部分高熵合金成分中觀察到緩慢擴散效應(yīng)，因而認為該效應(yīng)并不適用于所有高熵合金體系[12]。此外，根據(jù)二維擴散模型，這種緩慢擴散效應(yīng)在高熵合金涂層中更為顯著[13]，因此高熵合金還可作為擴散阻擋層材料。

2 應(yīng)用于航天工程材料的高熵合金

宇宙空間由于缺乏大氣層的隔熱及保溫作用，宇宙射線輻射強烈、黑暗寒冷等因素導(dǎo)致溫度波動幅度極大。以月球為例，其向陽面在太陽直射的情況下，溫度可以高達127 ℃，而背陰面溫度則低至-183 ℃，晝夜溫差可達310 ℃。這種極端環(huán)境要求航天器的結(jié)構(gòu)材料具有良好的高、低溫力學(xué)性能。此外，出于節(jié)約燃料及提高載荷的考慮，航天材料在保持高強度的同時還應(yīng)盡可能減輕質(zhì)量，以降低發(fā)射成本。圍繞航天結(jié)構(gòu)材料的這些關(guān)鍵性問題，本節(jié)分別介紹高熵合金的高溫、低溫力學(xué)性能及輕質(zhì)高熵合金的研究進展。

2.1 "高熵合金的高溫力學(xué)性能

良好的耐高溫性能對空間結(jié)構(gòu)材料及航發(fā)材料至關(guān)重要。首先，飛行器在大氣層內(nèi)飛行時飛船表面與空氣摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，而在外太空飛行時一般處于真空環(huán)境，陽光直射區(qū)域也可能產(chǎn)生高溫。在一些環(huán)境特殊的星體表面，探測器工作溫度也很高，如金星表面由于嚴重的溫室效應(yīng)，平均溫度可達462 ℃。這些高溫環(huán)境對空間結(jié)構(gòu)材料耐熱性提出了較高要求。另一方面，航天發(fā)動機的部件需要在高溫和高壓力的環(huán)境下工作，也要求航發(fā)材料具備優(yōu)秀的高溫力學(xué)性能。

得益于性能上的高熵效應(yīng)及雞尾酒效應(yīng)，高熵合金往往具有良好的高溫力學(xué)性能。除前面提到的NbMoTaW、NbMoTaWV高熵合金外[9]，在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出一系列在高溫下具有良好抗軟化性的難熔高熵合金（見圖5）。

最近，Li等[15]開發(fā)的高強度難熔高熵合金（W1.5Ni2.25Fe）95Ta5，由于存在分步可控相干納米沉淀強化作用，該合金不僅在室溫下表現(xiàn)出2.15 GPa的高抗拉強度和15%的拉伸延展性，在高達800 °C的溫度下抗拉強度仍能維持在1 GPa。Ma等[16]發(fā)現(xiàn)Zr35Ti30Nb20Al10Ta5高熵合金在室溫下具有850 MPa的屈服強度與25%的拉伸塑性，在800 ℃時仍具有635 MPa的屈服強度與18%的延伸率。Zhang等[17]開發(fā)的具有良好可加工性的高強韌Hf15Nb40Ta25Ti15Zr5高熵合金，冷軋壓縮率可達90%。此外，制備工藝的不同也能夠影響高熵合金的高溫力學(xué)性能。Zarei等[18]研究了不同熱處理工藝對AlMo0.5NbTa0.5TiZr高熵合金性能的影響，發(fā)現(xiàn)1100 °C退火24小時后合金硬度較高。Wu等[19]在Ni27Co34Cr12Fe12Al12W3高熵合金中通過無限再結(jié)晶工藝獲得具有超穩(wěn)定的回復(fù)和再結(jié)晶共存組織，從而提高了合金的室溫拉伸強度與延展率。Wang等[20]利用選擇性激光熔化技術(shù)制備出具有bcc單相結(jié)構(gòu)的Nb40Ti40Ta20難熔中熵合金，發(fā)現(xiàn)選擇性激光熔化技術(shù)制備的中熵合金的硬度及室溫強度均顯著高于傳統(tǒng)的真空熔煉技術(shù)制備的中熵合金。

2.2 "高熵合金的低溫力學(xué)性能

宇宙空間劇烈的溫度波動要求在航天結(jié)構(gòu)材料具備良好高溫性能的同時，也需具備優(yōu)異的低溫力學(xué)性能。例如國際空間站背陰面溫度可達-184 ℃，而太陽系內(nèi)目前公認最接近地球環(huán)境的火星，地表平均溫度也低至-55 ℃。這種嚴苛的環(huán)境要求航天結(jié)構(gòu)材料在低溫環(huán)境下需保持良好的力學(xué)性能。然而，金屬材料一般具有冷脆性，絕大多數(shù)合金在低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度后，會從韌性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?，變得易碎，從而難以在低溫環(huán)境下服役。

2014年，Gludovatz等[21]首次在CrMnFeCoNi合金中發(fā)現(xiàn)了高熵合金的反常低溫韌性，由于低溫孿晶變形機制的存在，高熵合金在低溫下非但不像傳統(tǒng)合金一樣韌性降低，其強度、延展性反而提高。隨后，在AlxCoCrFeNi高熵合金中也觀察到了類似現(xiàn)象[22-23]（見圖6）。

這些研究結(jié)果引起了材料學(xué)界對高熵合金低溫力學(xué)性能的關(guān)注。Li等[24]研究了雙相非等原子比Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金在77 ～ 298 K的溫度范圍的低溫拉伸力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)塑性隨溫度降低而略有下降，低溫下細晶合金的極限拉伸強度和伸長率遠高于粗晶合金。Liu等發(fā)現(xiàn)低層具有低層錯能的CoCrFeNi合金在低溫下能夠形成大量孿晶，誘導(dǎo)fcc到hcp相變[25]，最終導(dǎo)致形變強化效果。Liu等發(fā)現(xiàn)通過部分再結(jié)晶在CoCrNi中熵合金中生成異質(zhì)結(jié)構(gòu)[26]，異構(gòu)化的CrCoNi 中熵合金在低溫下屈服強度接近1480 MPa，均勻伸長率高達28%，優(yōu)于均質(zhì)結(jié)構(gòu)和大多數(shù)常規(guī)低溫結(jié)構(gòu)材料。

2.3 "輕質(zhì)高熵合金

航天結(jié)構(gòu)部件不僅需要滿足嚴格的環(huán)境和安全要求，還應(yīng)具有輕質(zhì)、高強度的特點。航天飛行器質(zhì)量的降低直接意味著燃料的節(jié)省、運力的上升及發(fā)射成本的減少。除輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計外，輕質(zhì)材料的應(yīng)用也是航天飛行器減重的重要手段。

針對航天事業(yè)發(fā)展的輕量化需求，近年來輕質(zhì)高熵合金的研究逐漸興起，通過合理的成分設(shè)計，高熵合金能夠獲得較高的比強度，并且可以通過優(yōu)化制備工藝來進一步提高其性能。例如Sanchez等利用相圖計算設(shè)計的Al40Cu15Cr15Fe15Si15、Al65Cu5Cr5Si15Mn5Ti5與Al60Cu10Fe10Cr5Mn5Ni5Mg5等合金，這些合金兼具高強度與低密度，有望突破傳統(tǒng)輕質(zhì)合金比強度的極限[27]。Khan等[28]設(shè)計的具有BCC基體與B2納米硬化相的Al0.5Ti2Nb1Zr1W0.5輕質(zhì)高溫高熵合金，在1078 K溫度下比屈服強度仍能保持在95 MPa·g-1·cm3。Liao等[29]研究了變形熱處理對Ti65（AlCrNb）35中熵合金力學(xué)性能的影響，由于熱處理后形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的強化作用，顯示出1370 MPa的抗拉強度與24%的塑性應(yīng)變，力學(xué)性能顯著高于相同成分的鑄態(tài)合金。

3 高熵合金的空間防護性能

隨著航天活動的日益頻繁，空間碎片、空間輻照等損傷來源，對航天器的安全構(gòu)成了嚴重威脅。航天材料需要具備空間防護性能，以提高航天器的可靠性和壽命，降低維修和替換成本。一般來說，空間防護材料需要具備足夠的強度、韌性和耐久性，能夠在極端的空間環(huán)境中保持穩(wěn)定性和可靠性。它們能夠承受高速運動中產(chǎn)生的沖擊力和熱量，防止航天器在高速飛行中受到損壞。此外，空間防護材料還需要具備輕質(zhì)、高比強度的特性，以減輕航天器的重量，提高其機動性能。最近的研究顯示，高熵合金在抗輻照、耐磨等防護性能上具備獨特的優(yōu)勢。同時，高熵合金良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能夠有效抵抗宇航器在飛行過程中的溫度波動，避免因極寒或高溫使防護性能失效。

3.1 "耐磨高熵合金

航天飛機常常會受到高速氣流、高溫、高壓等復(fù)雜環(huán)境的影響，航天器運動與傳動部件的服役工況復(fù)雜苛刻，往往涉及寬溫度范圍、高載/交變載荷、輻照、微動、腐蝕介質(zhì)等多種極端耦合工況，對跨環(huán)境、跨溫度等變工況條件的先進潤滑耐磨性能具有迫切需求。在飛船高速飛行過程中與大氣層及空間微流星體之間的相互摩擦，也要求飛船外殼具有良好的耐磨性能。耐磨航天材料不僅可以保證飛機在各種環(huán)境下都能正常工作，不會因為材料的磨損和腐蝕而引發(fā)安全問題，還能延長飛行器使用壽命，降低維修成本。

在航天領(lǐng)域中，常用的耐磨航天材料包括鈦合金、鎳基合金、超高強度鋼和復(fù)合材料等。高熵合金作為航天耐磨材料具有強度高、硬度大、磨損率低等特征，尤其在高溫耐磨性能上具有明顯優(yōu)勢[30]，如CrFeHfMnTiTaV高熵合金，由于高溫下生成釩氧化物的自潤滑作用，在600 ℃具有較低的磨損率與動摩擦系數(shù)[31]。Geng等[32]利用選擇性固溶體的合金設(shè)計策略在Co30Cr28Ni27Al7Cu6/Ti6B2高熵合金中獲得與成分波動相耦合的梯度晶粒，在800 ℃下具備優(yōu)異的耐磨性能（見圖7）。

此外，高熵合金基體中加入少量其他元素還能改善其耐磨性能，如在CoCrFeNi 中加入少量C后，由于間隙碳原子引發(fā)的晶格畸變效應(yīng)及碳化物沉淀物的第二相強化效應(yīng)，合金的硬度和耐磨性均顯著提高[33]。除塊體外，一些高熵合金還可作為耐磨涂層沉積于零件接觸面以降低其磨損率，如CrFeHfMnTiTaV高熵合金涂層，能夠有效提升不銹鋼在高溫下的耐磨性[34]。

3.2 "抗輻照高熵合金

除微流星體帶來的威脅外，宇宙空間中還存在大量高能宇宙射線，由于缺乏大氣層及地磁場的保護作用，宇宙空間的輻射能量要遠高于地球表面，這些輻射包括黑子活動引發(fā)的太陽風暴和其他宇宙星體產(chǎn)生的背景輻射等。航天材料長期暴露于高能空間輻射之下，不可避免地會導(dǎo)致輻照損傷。而近期研究表明，高熵合金在輻照環(huán)境下具有體積腫脹率低、抗輻照脆化能力強等特點，作為航天材料能夠有效抵抗空間輻射。例如純Ni、 NiCo、NiCoCr與NiCoFeCrMn在離子輻照環(huán)境下，隨著混合熵的提高，合金的體積腫脹率明顯降低[35]。Zhou等[36]研究了Fe42Ni31Al17Cr10與Fe47Ni26Al17Cr10在He離子輻照下的組織結(jié)構(gòu)演變，發(fā)現(xiàn)在1073 K與～1.2 dpa的輻照條件下，高熵合金基本能夠維持相結(jié)構(gòu)及成分的穩(wěn)定性，而富含大尺寸Fe和Cr的FCC和BCC相的耐輻照性較低。一般認為，高熵合金優(yōu)異的抗輻照損傷性能源于其結(jié)構(gòu)上的自修復(fù)機制（見圖8），輻照在高熵合金中產(chǎn)生的空位和間隙原子缺陷通過局部融化與再結(jié)晶作用能夠重組與復(fù)合，從而使晶格結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定[37]。

4 高熵合金在航天材料領(lǐng)域應(yīng)用展望

通過目前的研究成果可以預(yù)見高熵合金在航天材料領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。首先，高熵合金具有較高的熔點和耐高溫性能，適用于航天發(fā)動機以及航天器等高溫環(huán)境下的應(yīng)用。此外，高熵合金還可以用于制備高強度和高韌性的航天結(jié)構(gòu)材料，如機身、機翼等結(jié)構(gòu)零部件等。高熵合金不僅能夠滿足航天材料所需的各項性能需求，還可以提高零部件的可靠性和使用壽命。

盡管高熵合金能夠滿足航天材料的多種性能需求，然而在實際應(yīng)用中也存在一些挑戰(zhàn)。例如，高熵合金的加工難度較大，成本較高，且其性能受到多種因素的影響，如元素種類、比例、制備方法和熱處理工藝等。由于對性能變化規(guī)律認識不充分、研究不夠完善等原因，目前高熵合金在航天工業(yè)上的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍處于初始階段。在推廣和應(yīng)用的道路上，高熵合金在制備技術(shù)、性能調(diào)控和機理等方面仍有待進一步深入研究。

針對高熵合金原料成本較高的缺點，可利用中熵化的成分設(shè)計理念降低貴重原料在高熵合金中的占比。此外，開發(fā)高熵涂層等低維高熵材料也有助于減少原料用量、降低原料成本。針對高熵合金加工難度大的缺點，可應(yīng)用3D打印技術(shù)等先進制備技術(shù)制備復(fù)雜形狀的高熵合金構(gòu)件，也可以實現(xiàn)對構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確控制。針對高熵合金主元多、成分復(fù)雜等難點，通過應(yīng)用高通量技術(shù)指導(dǎo)合金設(shè)計、提高實驗效率，降低合金開發(fā)成本。在高熵合金的成分設(shè)計上應(yīng)用長尾化的設(shè)計思想，以應(yīng)對多種個性化的服役場景[38]。針對空間環(huán)境溫度波動大的特點，結(jié)合高熵合金在高、低溫環(huán)境下的性能優(yōu)勢，近年來又提出了兼具高低溫性能的寬溫域高熵合金，如FeNiCoAlTaB[39]等。通過成分、工藝調(diào)節(jié)盡可能擴大高熵合金的服役溫度范圍，從而適應(yīng)航天器在太空行駛過程中產(chǎn)生的劇烈溫度變化。

總而言之，高熵合金作為一種新型的合金材料，其特殊的結(jié)構(gòu)及性能在航天工業(yè)的多個領(lǐng)域均具有較大的發(fā)展?jié)摿??？梢灶A(yù)見在不遠的將來，隨著對高熵合金的研究和應(yīng)用的不斷加強，高熵合金將在航天工業(yè)各個方面得到廣泛應(yīng)用，推動我國航天科技快速向前發(fā)展。

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責任編校：陳 強，裴媛慧

Research Progress on High-Entropy Alloys Applied to Aviation Materials

XING Qiuwei1，XIA Songqin2，ZHANG Xinfang1*，CHEN Zhanxing1，LI Guoju3，ZHANG Xinzhe3

（1.Zhengzhou University of Aeronautics，Henan Key Laboratory of Aeronautical Materials and Applied Technologies，Zhengzhou 450046，China；

2.North China Electric Power University，School of Nuclear Science and Engineering，Beijing 102206，China；

3.Zhengzhou University of Aeronautics，School of Aerospace Engineering，Zhengzhou 450046，China）

Abstract： High-entropy alloy （HEA） is a novel alloy proposed in recent years. Its characteristics of lightweight， high strength， high rigidity， and high-temperature resistance make HEA promising for applications in the field of aerospace materials. To resist extreme temperature changes in the space environment， HEA can achieve higher high-temperature yield strength than traditional superalloy through high-entropy composition design.HEA can also exhibit good toughness at low temperature due to special deformation mechanisms such as twinning deformation. In the field of lightweight materials， HEA can achieve suitable specific strength through the cocktail effect. In the field of space protection， the self-healing effect of HEA can effectively resist radiation damage. Reasonable composition design can also endow HEA with excellent wear and corrosion resistance. These performances comprehensively demonstrate the significant advantages of HEA in the aerospace field.

Key words： high-entropy alloy; aerospace engineering materials; lightweight alloy; superalloy; irradiation resistance