高熵合金及其应用前景调研

赵永好^1,2

¹河海大学，²南京理工大学

1. 高熵合金的概念

高熵合金(high-entropy alloys, HEAs)由五种或五种以上的元素组成，且每种元素的原子百分比在5%-35%之间，高熵合金于2004年由台湾学者叶均蔚和英国Brian Cantor教授首先提出。不同于传统合金只有一种主组元（比如钢以Fe为主, >90%，C等元素含量一般小于1%），高熵合金是材料设计理念的重大变革，被认为是最近几十年来合金化理论的三大突破之一，具有重要学术研究价值。高熵突破了组成元素的固有属性，实现“自由”设计，极大拓展了新材料设计空间。118种元可以形成10⁷⁹种组合，同时打开了可合成的近乎无穷无尽的新型合金世界，对于传统冶金行业和金属材料的丰富和补充具有重大的意义。

图1 等原子比高熵合金和非等原子比高熵合金以及传统合金在相图中的位置。

图2高熵合金的原子结构。

高熵合金可以是单一结构的超级固溶体，也可以是多相结构的复合材料，多种独特的原子结构赋予了高熵合金众多优异的性能。高熵合金具有四大效应：热力学上的高熵效应、动力学上的迟滞扩散效应、原子结构上的晶格畸变效应和性能上的“鸡尾酒”效应。五种合金元素等原子比随机混合的混合熵高达1.61R，远高于常见合金的混合熵；不同元素的原子在占据点阵位置时，晶格会产生膨胀或收缩；高熵合金原子间相互作用及晶格畸变严重影响了原子有效扩散速率，使高熵合金具有高温抗软化性(高温高强)；合金元素的一些微观性质会最终反映到合金的宏观性质上，如密度、强度、抗氧化性、耐腐蚀性等。高熵合金具有性能上的鸡尾酒效应，即具有混合原则之外的效果，拥有任一组元所不具备的性能，如图3所示。

图3高熵陶瓷的鸡尾酒效应。

2. 高熵合金的性能及应用领域

众多的研究结果表明，通过合理的元素选择和配比，高熵合金可以获得高硬度、高强度、高韧性、高电阻、高软磁性、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、抗辐照等优异的性能，具有非常广阔的工业应用前景。目前在一些领域，部分高熵合金正在作为结构和功能材料而尝试使用，例如高硬度且耐磨耐蚀的刀具和模具；氮化物、氧化物的镀膜涂层；集成电路中的铜扩散阻挡层；高频变压器、马达的磁心、磁屏蔽、磁头、磁盘、磁光盘、高频软磁薄膜等等。

高熵合金MoNbTaVW超越了传统高温合金，1600C下强度400MPa，可实现航空发动机的换代发展！超耐蚀高熵合金的耐蚀性超不锈钢100倍以上，可以满足海洋平台和水下平台长期服役要求。抗辐射的高熵材料可以在未来第IV和V核电站应用；高速毁伤结构释能高熵材料的强度高于1200MPa，潜能是2倍TNT，可以使远程精确打击效能提升50%以上。

表1 高熵合金优异性能和未来应用领域

图4高熵合金的高温抗热软化性能。

3. 我课题组关于高熵合金的成果

我团队近几年率先开展了高熵合金的制备、表征和性能的探索研究，并取得了一系列的成果。团队成功制备了单相面心立方FeCoNiMoV、FeCoNiCrMn、FeCoNiMoNb高熵合金、FeCoNiAlCr双相高熵合金。系统研究了单相FeCoNiCrMn、FeCoNiMoV和双相FeCoNiAlCr的强韧化机理和变形机理。近5年在高熵合金领域发表一区期刊论文6篇，包括3篇Acta Mater.和1篇Nanoscale，1篇J. Mater. Sci. Tech., 1篇Mater. Sci. Eng. A，二区论文4篇，SCI他引1000余次，两篇论文被高引；获批和申请发明专利4项。重点进行了高熵合金拉伸、冲击、疲劳、断裂（韧性）、蠕变、摩擦和腐蚀等力学性能的测试和相应的成分结构、第一原理计算和变形机理的表征与分析。

我课题组获得了强度高于2GPa,断裂延伸率高于10%的高强韧高熵合金，在航空航天、交通运输等严格要求轻量化的领域可以替代高强钢的使用。比如飞机起落架、各种轴承、穿甲弹等等。

（四）专利：

（一）高熵合金、高熵陶瓷专利：

 1.   一种高熵硼化物粉末及其制备方法

聂金凤; 智雅婷; 范勇; 曹阳; 周浩; 李玉胜; 赵永好

2020-12-31, 中国, CN202011632083.8.

 2.    一种多晶粒尺度多层高熵合金的制备方法

赵永好; 孙嘉文; 魏康

2019-06-19, 中国, ZL201910530763.X.

 3.   一种异构高熵合金材料及其制备方法

周浩; 魏康; 赵永好; 高波; 陈雪飞; 曹阳; 李玉胜

2018-06-25, 中国, ZL201810657004.5.

4.   一种通过累积叠轧制备高强异构高熵合金的方法

王恒; 赵永好

2020-10-30, 中国, CN202011185649.7.

4. 论文发表