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 “寶藏”金屬材料——高熵合金十大應用前景剖析及產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

時間2023-08-24

隨著科技水平的快速發(fā)展以及國民經(jīng)濟建設對高性能合金材料的迫切需求，傳統(tǒng)單一主元的合金材料逐漸不能滿足人們與日俱增的使役需求，亟需一種全新的合金化策略，打破傳統(tǒng)策略的桎梏。為了解決上述問題，高熵合金的概念于2004年被提出，高熵合金因其革命性的設計理念以及特殊的物理、化學和力學性能，受到了全球性的研究與關(guān)注。

高熵合金能夠極大地拓展了金屬材料成分設計范圍，有望在國防、航空、航天、海洋、核能、醫(yī)療、新能源等重大工程領域發(fā)揮重要作用。本文結(jié)合各領域?qū)ο冗M高熵合金材料的具體需求，梳理了高熵合金材料的特征和內(nèi)涵，分析了高熵合金材料發(fā)展的整體形勢與前景，厘清了國內(nèi)外高熵合金的發(fā)展現(xiàn)狀。在此基礎上，指出了我國高熵合金領域存在的差距和不足，并針對上述問題提出了幾點研究建議。

一、前言

在人類社會發(fā)展史上，金屬材料的發(fā)現(xiàn)和使用極大地提高了社會生產(chǎn)力，具有里程碑的意義。長期以來，傳統(tǒng)金屬材料如鋼鐵、鋁合金、銅合金、鈦合金以及鎂合金等在制備時多是以一種或兩種金屬元素為主，通過添加少量合金元素來調(diào)節(jié)其微觀組織結(jié)構(gòu)，以滿足特定的性能需求。然而，這種合金設計策略始終將合金材料的成分設計空間局限在多元相圖的角落位置，限制了元素組合的總數(shù)，禁錮了新型合金材料的開發(fā)。隨著科技水平的快速發(fā)展以及國民經(jīng)濟建設對高性能合金材料的迫切需求，傳統(tǒng)單一主元的合金材料逐漸不能滿足人們與日俱增的使役需求，亟需一種全新的合金化策略，打破傳統(tǒng)策略的桎梏。

為了解決上述問題，高熵合金（或多主元合金）的概念于2004年被提出。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，多種元素按近/等原子比例混合后得到的合金并未形成復雜的金屬間化合物，而是形成了簡單的固溶體結(jié)構(gòu)。高熵合金的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)合金以混合焓為主的設計理念，為新材料的研發(fā)打開了一個廣闊的成分設計空間。目前，高熵合金的研究范圍包括材料設計、組織調(diào)控、加工制備、微觀結(jié)構(gòu)表征、力學性能、功能性能（如磁性、耐輻照性能、催化性能、熱電性能等）、塑性變形理論、計算機仿真模擬等。

高熵合金因其革命性的設計理念以及特殊的物理、化學和力學性能，受到了全球性的研究與關(guān)注。目前，主要發(fā)達國家和地區(qū)（包括美國、歐洲、加拿大、澳大利亞、日本等）以及我國都在此領域積極開展相關(guān)研究工作和應用探索。高熵合金可在國防、航空、航天等多個關(guān)鍵領域得到應用，目前我國大多數(shù)高熵合金材料的研究仍停留在實驗室階段，工業(yè)化推廣進程極為緩慢。當前，國際形勢錯綜變化，開發(fā)并推廣具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高熵合金新材料具有重大戰(zhàn)略意義。為此在介紹高熵合金材料特征和內(nèi)涵的基礎上，剖析先進高熵合金的工業(yè)應用前景，厘清國內(nèi)外高熵合金的發(fā)展現(xiàn)狀，指出我國高熵合金領域存在的差距和不足，并給出相應的發(fā)展對策，以期推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級和發(fā)展。

二、高熵合金的特征和內(nèi)涵

高熵合金最初的定義為：至少包括5種主要元素，每種元素含量在5%~35%之間，若含有次要元素，則次要元素含量小于5%的合金。隨著對高熵合金研究的不斷深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)上述定義不能準確地涵蓋高熵合金的全部特點。例如，假設一種等原子比的高熵合金由25種元素組成，雖然其混合熵高達3.2R，但是由于其每種主要元素的含量僅為4%，并不滿足高熵合金最初的定義。因此，將高熵合金的定義進行了修正，即以熔融狀態(tài)下或高溫完全互溶狀態(tài)時的混合熵為標準，只有當混合熵達到1.5R時，才有可能形成穩(wěn)定固溶體相。至此，以混合熵作為界定高熵合金的標準，并規(guī)定：當合金的混合熵大于1.5R時，將其稱為高熵合金；當合金的混合熵介于1~1.5R時，則稱為中熵合金；當合金的混合熵低于1R，則稱為低熵合金。

高熵合金從報道至今僅僅經(jīng)歷10多年，盡管目前對于“高熵合金”的定義仍存在一系列爭議問題，但并不影響高熵合金因其優(yōu)異性能及其廣闊的多維成分空間所帶來的科學和應用潛力。從這個意義上來說，高熵合金實際上是一種全新的合金設計思想。因此文章認為，高熵合金的定義可拓展為：由多種主要元素構(gòu)成的合金體系。根據(jù)這一定義標準，目前已經(jīng)存在大量的高熵合金體系。在高熵合金中已使用的元素高達37個，接近元素周期表中72種候選元素的1/2（惰性氣體、鹵族元素和放射性元素除外）。

高熵合金作為一種多主元合金材料，其在微結(jié)構(gòu)和性能等方面具有諸多獨有特征和優(yōu)勢。高熵合金在熱力學上具有“高熵效應”，可以促進高熵固溶體的形成；在動力學上具有“遲滯擴散效應”，擴散系數(shù)明顯低于傳統(tǒng)合金；在微觀結(jié)構(gòu)方面具有“晶格畸變效應”，可以引起固溶強化提高強度；在性能方面具有“雞尾酒效應”，有利于優(yōu)化合金的各項性能。此外，最近幾年對高熵合金的化學短程有序結(jié)構(gòu)、超高間隙原子固溶度等也有新的學術(shù)發(fā)現(xiàn)。

在力學性能方面，高熵合金不僅在室溫下具有優(yōu)異的強度?塑韌性組合，在超低溫、超高溫極端環(huán)境中也可以展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。高熵合金在彈性、高溫阻尼性能、軟磁性、耐輻照、耐腐蝕、耐磨性等性能方面也具有顯著優(yōu)勢，具有作為先進結(jié)構(gòu)?功能一體化材料的開發(fā)潛力。

高熵合金目前存在兩種分類方式。一類是按照其主要元素在周期表中的位置，分為3d過渡族高熵合金、難熔高熵合金、稀土高熵合金、貴金屬高熵合金、非金屬元素摻雜高熵合金等；一類是按照高熵合金的特點和用途，分為輕質(zhì)高熵合金、耐高溫難熔高熵合金、耐腐蝕高熵合金、耐輻照高熵合金、生物醫(yī)用高熵合金、共晶高熵合金、耐磨高熵合金、儲氫高熵合金、催化高熵合金、軟磁高熵合金等。文章將采用第二種分類方法，即按照高熵合金的特點和用途對其進行分類，并逐一對其應用前景和發(fā)展現(xiàn)狀進行闡述。

三、高熵合金的應用前景

（一）輕質(zhì)高熵合金

隨著汽車工業(yè)的快速變革以及節(jié)能減排對輕量化要求的進一步提升，輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)部件的需求和發(fā)展也發(fā)生了很大變化。輕質(zhì)高熵合金可發(fā)揮質(zhì)量輕、強度高的優(yōu)勢，用于替代汽車中結(jié)構(gòu)板、座椅骨架，變速箱齒轂等部件，可以有效降低汽車重量，節(jié)省傳統(tǒng)汽車石油消耗，提高新能源汽車續(xù)航能力。汽車工業(yè)使用了大量的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件，我國每年的汽車用鋁量超過5×106t，再加上周邊配套和下游零部件制造商，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)值超過千億元。此外，高性能輕質(zhì)金屬材料還可以作為航天結(jié)構(gòu)材料的重要組成部分。目前，鈦合金已在航空、航天及武器裝備領域獲得普遍應用，我國對鈦合金的需求量以每年20%~30%的速度增加。傳統(tǒng)鈦合金存在的主要問題是使用溫度受限，而輕質(zhì)高熵合金由于添加了大量難熔元素，有望突破這一限制。隨著航空航天器飛行馬赫數(shù)的不斷提高，對減重的要求越來越高，輕質(zhì)合金的使用勢在必行，而輕質(zhì)高熵合金有望憑借其優(yōu)異的綜合力學性能滿足這一需求。

（二）耐高溫難熔高熵合金

現(xiàn)役鎳基高溫合金受熔點的限制，在大于1000℃的溫度范圍時其屈服強度急劇下降。耐高溫難熔高熵合金在1000℃以上溫區(qū)仍具有優(yōu)異的高溫力學性能，有望彌補鎳基高溫合金在超高溫領域的空缺，成為下一代航空發(fā)動機渦輪葉片材料。目前，由于大部分耐高溫難熔高熵合金為非標產(chǎn)品，產(chǎn)品類型隨下游需求變化而變化，因此，耐高溫難熔高熵合金供應鏈相對較短，屬于以技術(shù)為中心的領域，生產(chǎn)工藝復雜、研發(fā)資金消耗大、研制時間長，行業(yè)壁壘較高。航空、航天領域的設備更新及國產(chǎn)化為耐高溫難熔高熵合金提供了主要的潛在市場需求，使耐高溫難熔高熵合金成為航空發(fā)動機的潛在備選材料。未來20年，若航空發(fā)動機中耐高溫難熔高熵合金的質(zhì)量占比為50%，我國民用航空飛機所需要的耐高溫難熔高熵合金潛在的市場規(guī)模將達到2000億元。

（三）耐腐蝕高熵合金

與傳統(tǒng)耐腐蝕材料如不銹鋼、銅合金、鋁合金、鈦合金等相比，高熵合金具有高強韌、高耐磨、強磁性等優(yōu)勢，綜合性能更強。這為耐腐蝕高熵合金的應用開拓了廣闊的空間，有望成為結(jié)構(gòu)?功能一體化材料。相較于陸地資源，海洋資源開發(fā)工作還遠遠不足，我國海岸線長、島嶼眾多、領海面積廣闊，這為我國經(jīng)濟發(fā)展、能源儲備和資源利用提供了重要保障。耐腐蝕高熵合金可作為海洋工程和海洋裝備的主要材料應用于船舶建造、海上平臺建設等方向。例如，共晶高熵合金可用于艦船的螺旋槳，高強耐腐蝕高熵合金可作為艦船特殊零部件材料，耐腐蝕軟磁高熵合金可用于海上風力發(fā)電設備中的磁性材料，耐腐蝕高熵合金涂層可作用于艦船殼體。同時，工業(yè)的發(fā)展對耐腐蝕材料的要求也越來越高，如石油化工、航空、航天領域材料需長期接觸強酸等極端環(huán)境，高強耐腐蝕高熵合金可作為特殊的材料承受極高載荷并且避免腐蝕損傷；耐腐蝕軟磁高熵合金可用于電磁閥中的關(guān)鍵磁性材料；優(yōu)異耐腐蝕性能的高熵合金還可用于石油化工領域的管道材料。

（四）耐輻照高熵合金

我國核技術(shù)應用產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，近年來發(fā)展迅速，是當前國防建設和國民經(jīng)濟發(fā)展中不可或缺的重要領域。核反應堆結(jié)構(gòu)材料是核技術(shù)發(fā)展的基礎和保障，但現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)材料難以承受先進反應堆內(nèi)惡劣的工作環(huán)境，亟需設計開發(fā)出具有良好力學性能、高溫性能及耐輻照性能的材料?；诟哽睾辖饍?yōu)異的耐輻照性能，現(xiàn)已提出兩類面向先進核反應堆的高熵合金，即低中子吸收截面高熵合金和低活化高熵合金。其中，低中子吸收截面高熵合金有望替代反應堆內(nèi)燃料包殼材料，而低活化高熵合金有望應用于反應堆壓力容器、第一壁材料、包層材料等。

（五）生物醫(yī)用高熵合金

生物醫(yī)用金屬多用于制造骨科、齒科、介入支架等醫(yī)療領域中的各類醫(yī)療器械以及外科手術(shù)工具。2021年，我國高值醫(yī)用耗材市場超過千億元，其中骨科植入市場規(guī)模達340億元，同比增長14%。因此，提升現(xiàn)有醫(yī)用金屬材料性能，發(fā)展新型醫(yī)用金屬材料，對進一步提升金屬醫(yī)療器械的性能水平并擴大其醫(yī)療功能，提高相關(guān)產(chǎn)品的市場競爭力，造福廣大患者，具有重要的現(xiàn)實意義。生物醫(yī)用高熵合金憑借著高強度、高硬度、高耐磨耐蝕性、低彈性模量、良好的生物相容性等優(yōu)勢，可以應用于骨科植入、血管介入等方面，有利于提高我國金屬醫(yī)療器械產(chǎn)品的國際競爭力。此外，高熵合金因其優(yōu)異的綜合性能有望在抗菌合金市場中取得一席之地?？咕哽睾辖鹂蓮V泛應用于餐廚具、家電、食品工業(yè)、醫(yī)療器械、啤酒、奶類、制藥等企業(yè)的設備管道和儲罐等設施中。

（六）共晶高熵合金

當前，我國特種艦艇朝大型化、高速化、靜音化方向發(fā)展，對動力系統(tǒng)特別是推進裝置提出了更高要求。螺旋槳是艦艇推進裝置的核心部件，其制造水平直接影響艦艇的整體性能，其生產(chǎn)能力是一個國家造船水平的重要體現(xiàn)。螺旋槳在服役過程中面臨的諸多挑戰(zhàn)使得傳統(tǒng)的銅合金、不銹鋼等螺旋槳材料已不能滿足下一代艦艇的性能設計要求，嚴重制約艦船裝備的未來發(fā)展。艦船螺旋槳用高性能合金領域面臨的重大技術(shù)需求和關(guān)鍵科學問題亟需解決，如傳統(tǒng)銅合金和不銹鋼材料制備技術(shù)已經(jīng)達到極限，無法滿足下一代艦船對輕質(zhì)、高強、耐蝕的服役要求。共晶高熵合金具有優(yōu)異的鑄造性能、力學性能和耐海水腐蝕性能，工業(yè)應用潛力巨大，且相關(guān)研究比較成熟，在艦船工業(yè)領域具有重要應用前景和重大理論研究價值；還適用于一些對耐蝕需求較高的復雜形體鑄件，如部分歐洲企業(yè)已經(jīng)將其應用于石油化工領域的耐蝕部件。

（七）耐磨高熵合金

耐磨材料在建材、火力發(fā)電和冶金礦山等工業(yè)領域的能耗和經(jīng)濟成本中占有較大比重；同時，在礦物、水泥、煤粉等工藝領域的生產(chǎn)過程中，機器設備會因零件的磨損而必須更換，因此，開發(fā)新型耐磨材料具有較大的現(xiàn)實意義。高熵合金的出現(xiàn)可以解決傳統(tǒng)耐磨材料的性能瓶頸問題，成為高溫、氧化、腐蝕等苛刻工況下服役設備的重要選材。耐磨高熵合金有望在磨球、襯板、破碎機錘頭、履帶板等領域得到應用。

（八）儲氫高熵合金

近年來，為實現(xiàn)碳中和、碳達峰目標，氫能及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)受到高度關(guān)注，氫能需求不斷增長，儲氫材料行業(yè)市場不斷發(fā)展。2020年，我國儲氫材料行業(yè)市場規(guī)模為7.62億元，其中稀土儲氫材料是目前唯一可以實現(xiàn)大規(guī)模商用化的儲氫材料，市場規(guī)模為6.9億元，占比為90.55%；其他儲氫材料市場規(guī)模為0.72億元，占比為9.45%。我國稀土資源儲量豐富，為儲氫材料行業(yè)的發(fā)展提供了充足的原材料市場保證，但儲氫材料成本偏高成為制約其發(fā)展的主要因素。由多種非貴重金屬元素組成的高熵合金具有顯著的晶格畸變，原子半徑的不同會產(chǎn)生較大的空隙位置，并且高熵合金多主元的特點增加了基體與氫的結(jié)合能，因此，高熵合金是一種有潛力的儲氫合金，有望成為稀土儲氫合金的替代品。

（九）催化高熵合金

催化與人類生活緊密相關(guān)，現(xiàn)代化學工業(yè)、石油加工工業(yè)、能源、制藥工業(yè)以及環(huán)境保護領域等廣泛使用催化劑。隨著落后產(chǎn)能的淘汰，我國化工催化劑行業(yè)產(chǎn)能利用率逐漸提高，傳統(tǒng)的貴金屬催化材料雖然催化活性好、穩(wěn)定性高，但成本高且資源稀缺；傳統(tǒng)的過渡金屬催化劑存在催化活性低且易被氧化、不易儲存等問題。相較于上述傳統(tǒng)的催化劑，高熵合金催化材料具有過電位低、熱穩(wěn)定性強、動力學快以及成本較低等特點，在燃油、化工、醫(yī)藥、能源等領域具有潛在的重大應用價值。

（十）軟磁高熵合金

軟磁材料是智能化時代的關(guān)鍵部件，主要應用于電網(wǎng)、光伏、儲能、新能源汽車與充電樁、第五代移動通信技術(shù)（5G）、無線充電、變頻空調(diào)、軌道交通、綠色照明等領域；在以高頻、大功率、小型化為重要發(fā)展方向的高端消費和工業(yè)電子、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎設施建設領域應用前景廣闊。近年來，新能源領域的快速發(fā)展，為軟磁合金的應用打開了需求空間。全球磁性材料生產(chǎn)企業(yè)主要集中在日本和中國，其中我國的產(chǎn)量約占全球的70%。據(jù)磁性材料行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2020年，我國磁性材料產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)及銷售的磁性材料約有1.3×106t，其中軟磁材料為2.9×105t；預計到2025年，軟磁材料的生產(chǎn)及銷售將達到4.89×105t，市場規(guī)模為150.77億元。

傳統(tǒng)的軟磁材料盡管具有優(yōu)異的軟磁性能，但其在耐蝕性、耐磨性、強塑性和高溫抗氧化性能等方面仍未充分滿足需求。高熵合金由于其成分設計范圍更寬、微觀結(jié)構(gòu)靈活多變，可以使材料在具備優(yōu)異的軟磁性能的同時兼具耐蝕性、力學性能和高溫抗氧化性中的多種性能，滿足極端復雜條件下的使用。高熵合金在高頻低損耗、腐蝕、摩擦、高溫以及高負載等條件下具有較大的應用前景。

五、高熵合金的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）輕質(zhì)高熵合金

輕質(zhì)高熵合金憑借其高比強度、高比硬度的優(yōu)勢，在航空、航天、能源、交通等領域具有應用潛力，被眾多學者廣泛研究。目前所開發(fā)的輕質(zhì)高熵合金根據(jù)密度分為以下兩類：一類是由Al、Be、Li、Mg、Sc、Si、Zn、Ti等輕質(zhì)元素組成的超低密度輕質(zhì)合金；另一類是由Ti、Zr、V、Nb、Al、Cr等元素組成的低密度輕質(zhì)高熵合金。超低密度輕質(zhì)高熵合金指密度介于鋁合金和鈦合金之間的高熵合金，元素構(gòu)成通常以Al元素為主，低密度輕質(zhì)高熵合金一般指密度介于鈦合金和鋼的高熵合金。這類合金通常以Ti元素作為主要元素，與超低密度輕質(zhì)高熵合金相比表現(xiàn)出更好的綜合力學性能。

雖然輕質(zhì)高熵合金具有低密度、高強度、高硬度等眾多優(yōu)異性能，但目前的研究主要集中于室溫準靜態(tài)力學性能方面。未來應進一步擴展其研究范圍，如輕質(zhì)高熵合金的動態(tài)力學性能、高溫力學性能、斷裂韌性等。此外，目前大多數(shù)輕質(zhì)高熵合金普遍存在室溫脆性的問題，未來如何通過成分設計獲得具有拉伸塑性的輕質(zhì)高熵合金，是科研工作者們需要攻克的難題。

（二）耐高溫難熔高熵合金

耐高溫難熔高熵合金主要由元素周期表中ⅣB、ⅤB與ⅥB族的Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W等高熔點的難熔元素組成，有時也添加Al、Si、Co、Ni、O、N等非難熔元素調(diào)控合金的微觀組織與綜合性能。耐高溫難熔高熵合金最大的特點是具有優(yōu)異的高溫屈服強度與高溫相穩(wěn)定性。

耐高溫難熔高熵合金作為高溫結(jié)構(gòu)材料展現(xiàn)出巨大的潛力，但其嚴重的室溫脆性限制了材料的工業(yè)化應用。例如，美國開發(fā)的第一代難熔高熵合金（NbMoTaW與VNbMoTaW合金）在室溫條件下僅有約2%的壓縮應變率，斷口形貌表現(xiàn)為典型的脆性解理斷裂特征。目前僅有TiZrHfNbTa系及其衍生的難熔高熵合金可以在準靜態(tài)拉伸條件下具有一定的延伸率，但仍遠不能滿足先進工程材料對安全性與可加工性的巨大需求。因此，如何有效提高其室溫塑性是難熔高熵合金未來發(fā)展的首要目標。此外，耐高溫難熔高熵合金作為一種潛在的高溫合金，其較差的抗氧化性能也是限制其進一步發(fā)展的瓶頸問題。大多數(shù)難熔元素在氧化過程中無法形成有效的保護層，因此，可以在難熔高熵合金中添加Al和Cr等抗氧化元素，形成致密的氧化層，改善合金的抗氧化性能。目前暫無兼具優(yōu)異力學性能和抗氧化性能的難熔高熵合金牌號，如何通過成分/工藝調(diào)控難熔高熵合金的微觀組織和性能是該領域未來亟需解決的難題。

（三）耐腐蝕高熵合金

在特定情況下，材料在實際應用中會受到酸、堿、海水等環(huán)境的考驗，這些惡劣的服役環(huán)境會對材料本身造成極大的破壞，進而降低材料的使用壽命，同時引起安全隱患。因此，耐腐蝕高熵合金的研究是一個至關(guān)重要的課題。目前的研究表明，高熵合金相較于傳統(tǒng)耐腐蝕材料（如不銹鋼、銅合金、鋁合金等）具有更加優(yōu)異的綜合耐蝕性能，未來有望作為極端環(huán)境下服役的耐腐蝕材料。

耐腐蝕高熵合金的優(yōu)勢在于其不僅具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，還能在結(jié)構(gòu)力學及其他功能應用方面滿足工程應用對材料的要求。我國目前設計了一種單相BCC結(jié)構(gòu)的耐腐蝕軟磁高熵合金（Fe2.25Co1.25Cr）94Al6，該合金在表現(xiàn)出優(yōu)異的軟磁性能的同時，還具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，其點蝕電位是傳統(tǒng)304不銹鋼的2倍，在海水環(huán)境中能有效保護材料自身不受海水侵蝕破壞，有效解決了磁性材料在腐蝕環(huán)境中的使用難題。

高熵合金廣闊的元素調(diào)整空間帶來的“雞尾酒效應”，為設計高耐腐蝕性能提供了途徑。我國設計了兼具優(yōu)異力學性能和耐腐蝕性能的面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)的Fe40Ni20Co20Cr20高熵合金，該合金的抗拉強度超過600 MPa，斷裂塑性達到70%；在0.1mol/L的H2SO4溶液環(huán)境中，多種元素產(chǎn)生協(xié)同作用，形成了致密鈍化膜，表現(xiàn)出遠優(yōu)于316L不銹鋼的耐腐蝕性能，實現(xiàn)了力學性能和耐腐蝕性能的結(jié)構(gòu)?功能一體化。多相結(jié)構(gòu)同樣具有良好的耐腐蝕性能，如一種成分為FeCrNiCoNb0.5的耐腐蝕共晶高熵合金。該合金具有納米級尺寸的超細共晶結(jié)構(gòu)，在腐蝕過程中能夠形成穩(wěn)定的鈍化膜；同時，該合金的鈍化膜具有自修復能力，在1mol/L NaCl溶液中表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能，其鈍化膜寬度為304不銹鋼的3倍，耐腐蝕能力優(yōu)于不銹鋼、鋁合金、鈦合金、鎳合金等傳統(tǒng)耐腐蝕材料。

高熵合金耐腐蝕涂層也受到了廣泛的關(guān)注。我國的研究人員利用激光熔覆技術(shù)在304不銹鋼基體表面制備了FeCoCrAlNi高熵合金涂層，涂層的硬度是原基體合金的3倍。在3.5wt.% NaCl溶液中的腐蝕試驗結(jié)果表明，F(xiàn)eCoCrAlNi高熵合金涂層能有效提高合金的耐腐蝕性能和抗點蝕性能。涂層技術(shù)的應用為耐腐蝕高熵合金的發(fā)展提供了新的方向。因此，耐腐蝕高熵合金涂層材料表現(xiàn)出廣闊的應用前景。

（四）生物醫(yī)用高熵合金

高熵合金可以根據(jù)生物醫(yī)用的需求，選擇特定的合金化元素，從而賦予其特殊的生物醫(yī)用功能特性。此外，高熵效應和晶格畸變效應也賦予了生物醫(yī)用高熵合金良好的強度、硬度、耐腐蝕性能、耐磨性、生物相容性以及抗菌性能。目前，對生物醫(yī)用高熵合金已經(jīng)有了一定的研究。根據(jù)功能不同，生物醫(yī)用高熵合金可以分為植入型高熵合金和抗菌型高熵合金兩類。

盡管生物醫(yī)用高熵合金已經(jīng)做了很多研究工作并取得了一些開創(chuàng)性的研究成果，但目前還存在如下問題有待解決：設計的生物醫(yī)用高熵合金主要是鑄態(tài)的，后續(xù)應該進一步進行熱加工處理以確保其組織成分均質(zhì)化；生物醫(yī)用高熵合金的性能研究還不全面，未來應針對特定的需求，進行全方位的生物學評估。

（五）耐輻照高熵合金

高熵合金因其突出的力學性能、高溫性能以及耐輻照性能，成為了有競爭力的核反應堆關(guān)鍵部件候選材料。在燃料包殼材料、反應堆壓力容器、第一壁材料、反應堆管道材料領域等具有廣闊的應用前景，目前國內(nèi)外很多知名科研機構(gòu)開展了耐輻照高熵合金方面的研究。高熵合金在耐輻照性能的表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)合金。已有研究發(fā)現(xiàn)，在高熵合金中添加間隙元素可以增強高熵合金的化學短程有序，進而提高其耐輻照能力。CoCrFeNiMn系高熵合金相對于純金屬鎳具有更強的抗氦泡生長特性，并且隨著主元數(shù)的增加，氦泡尺寸逐漸減小。

盡管對于高熵合金輻照性能的研究展現(xiàn)出了其在核反應堆領域良好的工業(yè)應用前景，但是目前該研究仍處于初級階段，針對反應堆內(nèi)不同工作環(huán)境下的特種高熵合金研究依然非常有限；同時，耐輻照高熵合金領域尚有諸多理論性問題需要解決。例如，TiVNbTa等高熵合金經(jīng)過輻照后存在較為嚴重的元素偏析現(xiàn)象?？偠灾?，目前高熵合金輻照行為的數(shù)據(jù)庫較為匱乏，尚不能為反應堆結(jié)構(gòu)材料的設計提供可靠依據(jù)。

（六）共晶高熵合金

大連理工大學首次提出用共晶合金的概念設計高熵合金，以期得到由雙相共晶結(jié)構(gòu)構(gòu)成的高熵合金，從而獲得鑄造性能良好、綜合力學性能優(yōu)異的共晶高熵合金。AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金在鑄態(tài)下展現(xiàn)了均勻細小的層片形貌，抗拉強度超過1GPa，塑性高達17%，這種在鑄態(tài)下即獲得的高強度高塑性，使其成為最具工業(yè)應用價值的高熵合金之一。隨后，許多具有優(yōu)異力學性能和特殊功能的共晶高熵合金得以開發(fā)和報道，研究最為廣泛的是AlCoCrFeNi體系和CoCrFeNi-M（M=Nb，Ta，Zr，Hf，Mo等）合金體系。

AlCoCrFeNi系的共晶高熵合金通常由較軟的FCC相和較硬的B2相構(gòu)成，軟硬兩相在變形過程中相互作用使得此類合金表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學性能。為了進一步提高這類共晶高熵合金的強塑性，研究人員對該類合金進行了不同的加工熱處理和不同的制備方法以優(yōu)化合金。例如，經(jīng)過軋制和熱處理，AlCoCrFeNi2.1合金在小幅度損失塑性的情況下，屈服強度可大幅度提高至1.4GPa，比鑄態(tài)條件下的650 MPa的屈服強度提高了約1.85倍；此外，由于AlCoCrFeNi系共晶高熵合金含有較多的Al和Cr元素，因此該類合金通常具有良好的耐蝕性及抗氧化性，有利于合金在海水和高溫環(huán)境中應用。CoCrFeNi-M系共晶高熵合金通常由較軟的FCC相和脆硬的拓撲密排相構(gòu)成。拓撲密排相是一種適宜于高溫應用的晶體結(jié)構(gòu)，從而賦予了共晶高熵合金優(yōu)異的高溫力學性能。除了上述的結(jié)構(gòu)性能外，共晶高熵合金得益于不同元素的加入，使合金在功能性能方面也展現(xiàn)出可觀的應用前景，如軟磁性能、巨磁電阻效應等。

雖然共晶高熵在多個工程領域展現(xiàn)了巨大的應用潛力，但是目前對該類合金的研究主要集中在成分的開發(fā)、力學性能的優(yōu)化以及變形機制等方面。由于共晶高熵合金良好的鑄造流動性，面向工程尺寸鑄錠的制備及實際工程的研究應進行更深入的探索。

（七）耐磨高熵合金

相比于傳統(tǒng)合金，高熵合金具有更大的成分設計空間，能夠形成更豐富的微觀組織結(jié)構(gòu)，因此，高熵合金展現(xiàn)出了許多傳統(tǒng)合金難以比擬的優(yōu)異性能，如高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、抗氧化和抗高溫軟化等。在耐磨、潤滑方面，目前報道的Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti高熵合金的硬度小于SUJ2軸承鋼和SKH51模具鋼，耐磨性至少2倍于傳統(tǒng)的耐磨鋼；Al0.2Co1.5FeNi1.5Ti0.55Si0.1高熵合金的耐磨性優(yōu)于經(jīng)典的Stellite 6耐磨合金；AlCoCrFeNi-M高熵合金在90% H2O2溶液中，兼具優(yōu)良的耐腐蝕性和耐磨性，具有工程應用潛力。我國基于高熵合金的概念創(chuàng)制了系列高熵合金基高溫自潤滑材料，如CoCrFeNi-Gr-MoS2和CoCrFeNi-Ag-BaF2/CaF2，其中高熵合金基體保證了復合材料良好的力學性能，而潤滑相及氧化產(chǎn)物的協(xié)同作用使其實現(xiàn)了從室溫至高溫的連續(xù)潤滑。

雖然耐磨高熵合金展現(xiàn)出較大理論研究價值，但是該領域仍有諸多理論性問題尚未厘清。例如，配副和溫度對高熵合金摩擦、磨損行為的影響機制仍然缺乏相關(guān)報道。更重要的是，有關(guān)高熵合金的磨損行為的性能數(shù)據(jù)庫較為匱乏，尚不能為耐磨材料設計提供可靠依據(jù)。

（八）催化高熵合金

高熵合金因其廣泛的元素組成和固有的復雜表面，可提供大量的結(jié)合位點，能夠獲得近連續(xù)分布的吸附能曲線。美國報道了一種高度均勻球形顆粒形式的高熵磷酸鹽催化劑材料，其在析氧反應中具有優(yōu)越的催化活性遠高于傳統(tǒng)催化劑的催化活性。來自印度的研究人員制備了納米晶等原子AuAgPtPdCu高熵催化劑，在還原反應中具有高的催化活性，在低電壓（-0.3V）下完成了CO2到氣體產(chǎn)品的100%轉(zhuǎn)換。雖然催化劑中存在許多元素，但電催化活性主要由氧化還原活性銅金屬的存在來描述，而其他金屬僅提供協(xié)同作用。高熵合金催化劑在氧還原、水電解、氨氧化等反應中也具有廣闊的應用潛力。相對于傳統(tǒng)催化劑，高熵催化劑具有過電位低、熱穩(wěn)定性強、動力學快等特點，使其在燃料電池的生產(chǎn)、化學原料制備以及新能源發(fā)電等領域具有潛在的應用價值。在光熱轉(zhuǎn)換方面，利用電弧放電等離子體合成制備了一種由21種元素組成的高熵合金納米顆粒，表現(xiàn)出了高效的光熱轉(zhuǎn)換性能。

（九）儲氫高熵合金

高熵合金因其顯著的晶格畸變、不同的原子半徑會產(chǎn)生較大的空隙位置，并且高熵合金多主元的特點增加了基體與氫的結(jié)合能，有利于儲氫性能的提高。早期的高熵合金儲氫性能研究主要集中在儲氫能力上。隨后，高熵合金的吸收 / 解吸循環(huán)特性得到廣泛關(guān)注。我國報道了通過電弧熔煉與機械研磨的方法制備TiZrFeMnCrV合金，該合金具有超快的吸氫動力學，在30 ℃下的吸氫量可達1.80wt.%；同時該合金具有優(yōu)異的吸附 / 解吸循環(huán)性能，在50次循環(huán)中容量仍穩(wěn)定在1.76 wt.%，表現(xiàn)出良好的可逆儲氫性能。高熵合金作為一種不含稀土金屬的新型儲氫合金，可作為新能源汽車、能源發(fā)電等領域的候選材料。

（十）軟磁高熵合金

軟磁材料是具有低矯頑力和高磁導率的磁性材料，易于磁化，也易于退磁，其主要功能是轉(zhuǎn)換與傳輸電磁能量，被廣泛用于各種電能變換設備中。高熵合金多主元合金的設計理念顯著拓寬了材料的成分設計范圍，可以同時包含多個磁性和非磁性元素，各元素間的相互作用可以產(chǎn)生意想不到的效果，為此，可以在較大的范圍內(nèi)對材料的磁性、耐蝕性、力學性能和高溫抗氧化性等進行調(diào)整，使材料具有更高的綜合性能以滿足極端復雜條件下的使用需求。例如，我國研究人員設計制備的一種相干有序納米沉淀物增強的超強韌性軟磁高熵元合金Fe32.6Ni27.7Co27.7Ta5.0Al7.0，該合金的飽和磁化強度、矯頑力、居里溫度、電阻率、屈服強度、抗拉強度和斷裂延伸率分別為100.2A·m2·kg-1、78A/m、693.8K，103μΩ·cm、904MPa、1336MPa和54%，這一優(yōu)異的綜合性能是空前的，展現(xiàn)出軟磁高熵合金在高力學載荷下的廣闊工業(yè)應用前景。

五、我國高熵合金領域存在的不足及發(fā)展建議

（一）我國高熵合金領域存在的不足

1. 我國高熵合金高純原材料依賴進口，威脅產(chǎn)業(yè)鏈安全

我國短缺的高純原材料有9種：U、Fe、Mn、Al、Sn、Pb、Ni、Sb、Au；嚴重短缺的高純原材料有8種：Cr、Cu、Zn、Co、Sr、K、B以及Pt族元素等。此類原材料的儲量較低，新增產(chǎn)量不足，與迅速增長的市場需求形成了極大的差距，致使高熵合金使用成本增加，限制了其進一步的發(fā)展。以Co為例，全球的資源總量約為7.6×106 t，然而資源分布極度不均，主要分布于剛果（金）、澳大利亞等國家和地區(qū)，我國占比僅為1%，嚴重依賴進口。Co作為高熵合金中最常用的元素之一，國內(nèi)嚴重短缺的高純原材料將威脅相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的安全。

2. 國內(nèi)企業(yè)重視程度不夠，“產(chǎn)學研用”合作不緊密

我國企業(yè)對高熵合金材料的重視程度不夠，沒有跟上國外企業(yè)相關(guān)的研發(fā)進度。企業(yè)和研究機構(gòu)缺少健全的科研合作體系，以企業(yè)為主導的研發(fā)機制仍需要進一步完善，“產(chǎn)學研用”合作不緊密。相關(guān)科研單位的研發(fā)投入經(jīng)費少，人才隊伍建設不完善，缺乏激勵政策和研發(fā)平臺，科技人員創(chuàng)新動力不足。另外，由于缺少用于原始創(chuàng)新和基礎研究的“產(chǎn)學研用”合作平臺，大量創(chuàng)新成果僅停留在實驗室研究階段，缺少高效的研發(fā)平臺將基礎性研究成果進行驗證和中試放大，推動科研成果的快速轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)應用。

3. 理論仿真能力不足

高熵合金可選擇的元素種類眾多，因此高熵合金體系數(shù)量也非常龐大，為此，通過模擬仿真對高熵合金成分進行篩選是一個重要的研究方向。然而，國內(nèi)對于高熵合金數(shù)據(jù)庫搭建的重視程度不夠，如開發(fā)新型高熵合金所使用到的熱力學數(shù)據(jù)庫與相圖計算軟件大多來源于美國、瑞典等國家，在一定程度上使高熵合金材料的研發(fā)受制于人。我國高熵合金領域尚缺少行之有效的模擬計算能力，難以精確預測其結(jié)構(gòu)和性能，高熵合金的理論數(shù)據(jù)庫搭建和仿真能力有待進一步完善。

4. 高熵合金的應用與評價體系有待完善

目前國內(nèi)所研究的高熵合金多是在實驗室條件下進行的成分探索和性能研究，科研成果的工程化和推廣應用較慢，新興高熵合金制造技術(shù)與國家優(yōu)先發(fā)展領域目標匹配有待進一步提高。雖然我國現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的高熵合金成分體系數(shù)量眾多，但是沒有進行系統(tǒng)梳理以及分類。同時，我國在新材料性能評定、生產(chǎn)技術(shù)、標準規(guī)范等方面的建設相對滯后；大量性能優(yōu)異的高熵合金體系的自主知識產(chǎn)權(quán)掌握在國外，我國高熵合金領域在知識產(chǎn)權(quán)方面存在欠缺。

（二）發(fā)展建議

1. 加強高熵合金材料的頂層設計，完善產(chǎn)業(yè)政策

結(jié)合國家材料產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局和高質(zhì)量發(fā)展目標，構(gòu)建以企業(yè)為主體的自主創(chuàng)新體系，推進高熵合金領域國家重點實驗室的資源整合和規(guī)劃布局勢在必行。與世界高水平研發(fā)機構(gòu)接軌，加強高熵合金核心技術(shù)研發(fā)，建立自主知識產(chǎn)權(quán)。加速高熵合金領域成果產(chǎn)業(yè)化，建立高校與科研、產(chǎn)業(yè)化之間的銜接機制。鼓勵標準化機構(gòu)面向國家科研及產(chǎn)業(yè)化項目提供標準化咨詢和支撐服務，覆蓋項目立項、實施、推廣應用、試點示范等全鏈條。激勵骨干企業(yè)帶動創(chuàng)新企業(yè)，加大研發(fā)投入，彌補技術(shù)短板，積極應對國際市場的競爭。

2. 加強企業(yè)和科研機構(gòu)的對接和溝通

依托國內(nèi)外高校和科研院所的專家學者開展咨詢，構(gòu)建集研發(fā)、生產(chǎn)、應用于一體的健康綠色發(fā)展格局。實施創(chuàng)新人才發(fā)展戰(zhàn)略，構(gòu)建高熵合金相關(guān)產(chǎn)業(yè)的精尖人才體系；同時，鼓勵本領域創(chuàng)新團隊積極開展國際合作與交流，在經(jīng)濟上給予大力扶持。鼓勵企業(yè)構(gòu)建規(guī)范高效的人才管理制度，培養(yǎng)適應企業(yè)生產(chǎn)又高度自主創(chuàng)新的人才團隊。加強行業(yè)協(xié)會、科研機構(gòu)和高校的聯(lián)系，組建與企業(yè)對口的精尖人才后備團隊，定期對國內(nèi)外高熵合金研發(fā)和應用需求進行調(diào)研和評估。加強科研?生產(chǎn)?消費?再科研循環(huán)體系建設，實現(xiàn)科研在前、生產(chǎn)隨后，相輔相成從而穩(wěn)步向前的發(fā)展目標。

3. 完善高熵合金材料標準、測試、表征、評價體系

建立支撐高熵合金產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的標準體系，開展高熵合金材料標準領航行動，加大先進金屬材料基礎研發(fā)、關(guān)鍵戰(zhàn)略合金材料及前沿新型高熵合金材料標準的有效供給，進一步發(fā)揮標準化對整體高熵合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和質(zhì)量變革的引領作用。完善新材料測試、表征、評價體系，建立國家級高熵合金測試評價平臺，構(gòu)建新型高熵合金材料測試評價體系，解決其測試評價的瓶頸和短板問題。大力發(fā)展自主認證和品牌檢測能力，不斷提升國際競爭力。

4. 推進人才隊伍建設

實施創(chuàng)新人才發(fā)展戰(zhàn)略，加強中青年創(chuàng)新人才和團隊培養(yǎng)，采用柔性引進等靈活政策，建立國家級高熵合金協(xié)同創(chuàng)新中心，培養(yǎng)自主創(chuàng)新人才隊伍，培養(yǎng)一批學科、專業(yè)技術(shù)帶頭人，有效提高人才要素在產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新中的活躍度和推動作用，提升自主創(chuàng)新能力，實現(xiàn)高熵合金材料的快速工業(yè)化應用。

5. 降低材料成本，打造高附加值產(chǎn)品

高熵合金目前工業(yè)化進度緩慢，其主要原因在于過高的原料成本和生成成本。未來應在政策上鼓勵科研院校和相關(guān)企業(yè)進行科技研發(fā)、產(chǎn)品創(chuàng)新和品牌建設，進一步提高從業(yè)人員的科技創(chuàng)新能力和水平，全力打造高附加值產(chǎn)品，促進產(chǎn)品融入全球高端制造業(yè)供應鏈。建議通過“產(chǎn)學研用”合作，從降低材料的生產(chǎn)成本方面著手，打造低成本高熵合金牌號，優(yōu)化品種結(jié)構(gòu)，提高國際競爭力。應積極拓展高熵合金應用領域，通過開展合作研發(fā)和示范應用項目，推動高熵合金在實際應用中取得更多突破。


文章轉(zhuǎn)自：中國工程院院刊