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 “寶藏”金屬材料——高熵合金十大應(yīng)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(jì)建設(shè)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(shè)計理念以及特殊的物理、化學(xué)和力學(xué)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(shè)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(lǐng)域發(fā)揮重要作用。本文結(jié)合各領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)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(chǔ)上，指出了我國高熵合金領(lǐng)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(shè)計策略始終將合金材料的成分設(shè)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(jì)建設(shè)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(fù)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(shè)計理念，為新材料的研發(fā)打開了一個廣闊的成分設(shè)計空間。目前，高熵合金的研究范圍包括材料設(shè)計、組織調(diào)控、加工制備、微觀結(jié)構(gòu)表征、力學(xué)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(jī)仿真模擬等。

高熵合金因其革命性的設(shè)計理念以及特殊的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，受到了全球性的研究與關(guān)注。目前，主要發(fā)達(dá)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(lǐng)域積極開展相關(guān)研究工作和應(yīng)用探索。高熵合金可在國防、航空、航天等多個關(guān)鍵領(lǐng)域得到應(yīng)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(jìn)程極為緩慢。當(dāng)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(chǔ)上，剖析先進(jìn)高熵合金的工業(yè)應(yīng)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(lǐng)域存在的差距和不足，并給出相應(yīng)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(zhǔn)確地涵蓋高熵合金的全部特點。例如，假設(shè)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(dá)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，只有當(dāng)混合熵達(dá)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(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定：當(dāng)合金的混合熵大于1.5R時，將其稱為高熵合金；當(dāng)合金的混合熵介于1~1.5R時，則稱為中熵合金；當(dāng)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(xué)和應(yīng)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(shè)計思想。因此文章認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)，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(dá)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(xué)上具有“高熵效應(yīng)”，可以促進(jìn)高熵固溶體的形成；在動力學(xué)上具有“遲滯擴(kuò)散效應(yīng)”，擴(kuò)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(yīng)”，可以引起固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度；在性能方面具有“雞尾酒效應(yīng)”，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(xué)短程有序結(jié)構(gòu)、超高間隙原子固溶度等也有新的學(xué)術(shù)發(fā)現(xiàn)。

在力學(xué)性能方面，高熵合金不僅在室溫下具有優(yōu)異的強(qiáng)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(jìn)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?fù)诫s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(jìn)行分類，并逐一對其應(yīng)用前景和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

三、高熵合金的應(yīng)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(jìn)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(qiáng)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?yán)m(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(lǐng)域獲得普遍應(yīng)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(xué)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(qiáng)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(xué)性能，有望彌補鎳基高溫合金在超高溫領(lǐng)域的空缺，成為下一代航空發(fā)動機(jī)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(biāo)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(yīng)鏈相對較短，屬于以技術(shù)為中心的領(lǐng)域，生產(chǎn)工藝復(fù)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(lǐng)域的設(shè)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(jī)的潛在備選材料。未來20年，若航空發(fā)動機(jī)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(jī)所需要的耐高溫難熔高熵合金潛在的市場規(guī)模將達(dá)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(qiáng)韌、高耐磨、強(qiáng)磁性等優(yōu)勢，綜合性能更強(qiáng)。這為耐腐蝕高熵合金的應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)不足，我國海岸線長、島嶼眾多、領(lǐng)海面積廣闊，這為我國經(jīng)濟(jì)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(yīng)用于船舶建造、海上平臺建設(shè)等方向。例如，共晶高熵合金可用于艦船的螺旋槳，高強(qiáng)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(fēng)力發(fā)電設(shè)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(lǐng)域材料需長期接觸強(qiáng)酸等極端環(huán)境，高強(qiáng)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(lǐng)域的管道材料。

（四）耐輻照高熵合金

我國核技術(shù)應(yīng)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(dāng)前國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可或缺的重要領(lǐng)域。核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料是核技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，但現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)材料難以承受先進(jìn)反應(yīng)堆內(nèi)惡劣的工作環(huán)境，亟需設(shè)計開發(fā)出具有良好力學(xué)性能、高溫性能及耐輻照性能的材料。基于高熵合金優(yōu)異的耐輻照性能，現(xiàn)已提出兩類面向先進(jìn)核反應(yīng)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(yīng)堆內(nèi)燃料包殼材料，而低活化高熵合金有望應(yīng)用于反應(yīng)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(lǐng)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(dá)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(jìn)一步提升金屬醫(yī)療器械的性能水平并擴(kuò)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(qiáng)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(yīng)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(yīng)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(shè)備管道和儲罐等設(shè)施中。

（六）共晶高熵合金

當(dāng)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(jìn)裝置提出了更高要求。螺旋槳是艦艇推進(jìn)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(shè)計要求，嚴(yán)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(lǐng)域面臨的重大技術(shù)需求和關(guān)鍵科學(xué)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(dá)到極限，無法滿足下一代艦船對輕質(zhì)、高強(qiáng)、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(xué)性能和耐海水腐蝕性能，工業(yè)應(yīng)用潛力巨大，且相關(guān)研究比較成熟，在艦船工業(yè)領(lǐng)域具有重要應(yīng)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(fù)雜形體鑄件，如部分歐洲企業(yè)已經(jīng)將其應(yīng)用于石油化工領(lǐng)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(lǐng)域的能耗和經(jīng)濟(jì)成本中占有較大比重；同時，在礦物、水泥、煤粉等工藝領(lǐng)域的生產(chǎn)過程中，機(jī)器設(shè)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(shè)備的重要選材。耐磨高熵合金有望在磨球、襯板、破碎機(jī)錘頭、履帶板等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

（八）儲氫高熵合金

近年來，為實現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)，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(xué)工業(yè)、石油加工工業(yè)、能源、制藥工業(yè)以及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)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(qiáng)、動力學(xué)快以及成本較低等特點，在燃油、化工、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域具有潛在的重大應(yīng)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(yīng)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(lǐng)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。近年來，新能源領(lǐng)域的快速發(fā)展，為軟磁合金的應(yīng)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(yù)計到2025年，軟磁材料的生產(chǎn)及銷售將達(dá)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(qiáng)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(shè)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(xué)性能和高溫抗氧化性中的多種性能，滿足極端復(fù)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(fù)載等條件下具有較大的應(yīng)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(qiáng)度、高比硬度的優(yōu)勢，在航空、航天、能源、交通等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，被眾多學(xué)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(xué)性能。

雖然輕質(zhì)高熵合金具有低密度、高強(qiáng)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(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能方面。未來應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)展其研究范圍，如輕質(zhì)高熵合金的動態(tài)力學(xué)性能、高溫力學(xué)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(shè)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(qiáng)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(yán)重的室溫脆性限制了材料的工業(yè)化應(yīng)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(yīng)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(zhǔn)靜態(tài)拉伸條件下具有一定的延伸率，但仍遠(yuǎn)不能滿足先進(jìn)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(biāo)。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(jìn)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(hù)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(xué)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(lǐng)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(yīng)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(jìn)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(xué)及其他功能應(yīng)用方面滿足工程應(yīng)用對材料的要求。我國目前設(shè)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(hù)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(yīng)”，為設(shè)計高耐腐蝕性能提供了途徑。我國設(shè)計了兼具優(yōu)異力學(xué)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(qiáng)度超過600 MPa，斷裂塑性達(dá)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(yuǎn)優(yōu)于316L不銹鋼的耐腐蝕性能，實現(xiàn)了力學(xué)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(xì)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)和晶格畸變效應(yīng)也賦予了生物醫(yī)用高熵合金良好的強(qiáng)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(shè)計的生物醫(yī)用高熵合金主要是鑄態(tài)的，后續(xù)應(yīng)該進(jìn)一步進(jìn)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(yīng)針對特定的需求，進(jìn)行全方位的生物學(xué)評估。

（五）耐輻照高熵合金

高熵合金因其突出的力學(xué)性能、高溫性能以及耐輻照性能，成為了有競爭力的核反應(yīng)堆關(guān)鍵部件候選材料。在燃料包殼材料、反應(yīng)堆壓力容器、第一壁材料、反應(yīng)堆管道材料領(lǐng)域等具有廣闊的應(yīng)用前景，目前國內(nèi)外很多知名科研機(jī)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(qiáng)高熵合金的化學(xué)短程有序，進(jìn)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(qiáng)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(yīng)堆領(lǐng)域良好的工業(yè)應(yīng)用前景，但是目前該研究仍處于初級階段，針對反應(yīng)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(lǐng)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(yán)重的元素偏析現(xiàn)象?？偠灾壳案哽睾辖疠椪招袨榈臄?shù)據(jù)庫較為匱乏，尚不能為反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計提供可靠依據(jù)。

（六）共晶高熵合金

大連理工大學(xué)首次提出用共晶合金的概念設(shè)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(xué)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(xì)小的層片形貌，抗拉強(qiáng)度超過1GPa，塑性高達(dá)17%，這種在鑄態(tài)下即獲得的高強(qiáng)度高塑性，使其成為最具工業(yè)應(yīng)用價值的高熵合金之一。隨后，許多具有優(yōu)異力學(xué)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(xué)性能。為了進(jìn)一步提高這類共晶高熵合金的強(qiáng)塑性，研究人員對該類合金進(jìn)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(qiáng)度可大幅度提高至1.4GPa，比鑄態(tài)條件下的650 MPa的屈服強(qiáng)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(yīng)用。CoCrFeNi-M系共晶高熵合金通常由較軟的FCC相和脆硬的拓?fù)涿芘畔鄻?gòu)成。拓?fù)涿芘畔嗍且环N適宜于高溫應(yīng)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(xué)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(yīng)用前景，如軟磁性能、巨磁電阻效應(yīng)等。

雖然共晶高熵在多個工程領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)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(xué)性能的優(yōu)化以及變形機(jī)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(yīng)進(jìn)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(shè)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(qiáng)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(yīng)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(fù)合材料良好的力學(xué)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(lǐng)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(jī)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(shè)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(fù)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(yīng)中具有優(yōu)越的催化活性遠(yuǎn)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(yīng)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(yīng)中也具有廣闊的應(yīng)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(qiáng)、動力學(xué)快等特點，使其在燃料電池的生產(chǎn)、化學(xué)原料制備以及新能源發(fā)電等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)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(jī)械研磨的方法制備TiZrFeMnCrV合金，該合金具有超快的吸氫動力學(xué)，在30 ℃下的吸氫量可達(dá)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(lǐng)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(dǎo)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(shè)備中。高熵合金多主元合金的設(shè)計理念顯著拓寬了材料的成分設(shè)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(xué)性能和高溫抗氧化性等進(jìn)行調(diào)整，使材料具有更高的綜合性能以滿足極端復(fù)雜條件下的使用需求。例如，我國研究人員設(shè)計制備的一種相干有序納米沉淀物增強(qiáng)的超強(qiáng)韌性軟磁高熵元合金Fe32.6Ni27.7Co27.7Ta5.0Al7.0，該合金的飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力、居里溫度、電阻率、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(xué)載荷下的廣闊工業(yè)應(yīng)用前景。

五、我國高熵合金領(lǐng)域存在的不足及發(fā)展建議

（一）我國高熵合金領(lǐng)域存在的不足

1. 我國高熵合金高純原材料依賴進(jìn)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(yán)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(jìn)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(yán)重依賴進(jìn)口。Co作為高熵合金中最常用的元素之一，國內(nèi)嚴(yán)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(xué)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(jìn)度。企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)缺少健全的科研合作體系，以企業(yè)為主導(dǎo)的研發(fā)機(jī)制仍需要進(jìn)一步完善，“產(chǎn)學(xué)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(shè)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(chǔ)研究的“產(chǎn)學(xué)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(chǔ)性研究成果進(jìn)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(yīng)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(jìn)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(xué)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(lǐng)域尚缺少行之有效的模擬計算能力，難以精確預(yù)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(jìn)一步完善。

4. 高熵合金的應(yīng)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(jìn)行的成分探索和性能研究，科研成果的工程化和推廣應(yīng)用較慢，新興高熵合金制造技術(shù)與國家優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域目標(biāo)匹配有待進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面的建設(shè)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(lǐng)域在知識產(chǎn)權(quán)方面存在欠缺。

（二）發(fā)展建議

1. 加強(qiáng)高熵合金材料的頂層設(shè)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(biāo)，構(gòu)建以企業(yè)為主體的自主創(chuàng)新體系，推進(jìn)高熵合金領(lǐng)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(jī)構(gòu)接軌，加強(qiáng)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(lǐng)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(jī)制。鼓勵標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)面向國家科研及產(chǎn)業(yè)化項目提供標(biāo)準(zhǔn)化咨詢和支撐服務(wù)，覆蓋項目立項、實施、推廣應(yīng)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(yīng)對國際市場的競爭。

2. 加強(qiáng)企業(yè)和科研機(jī)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(xué)者開展咨詢，構(gòu)建集研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)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(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊積極開展國際合作與交流，在經(jīng)濟(jì)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(yīng)企業(yè)生產(chǎn)又高度自主創(chuàng)新的人才團(tuán)隊。加強(qiáng)行業(yè)協(xié)會、科研機(jī)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(tuán)隊，定期對國內(nèi)外高熵合金研發(fā)和應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)研和評估。加強(qiáng)科研?生產(chǎn)?消費?再科研循環(huán)體系建設(shè)，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(biāo)。

3. 完善高熵合金材料標(biāo)準(zhǔn)、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(biāo)準(zhǔn)體系，開展高熵合金材料標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)航行動，加大先進(jìn)金屬材料基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)的有效供給，進(jìn)一步發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)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(lǐng)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(rèn)證和品牌檢測能力，不斷提升國際競爭力。

4. 推進(jìn)人才隊伍建設(shè)

實施創(chuàng)新人才發(fā)展戰(zhàn)略，加強(qiáng)中青年創(chuàng)新人才和團(tuán)隊培養(yǎng)，采用柔性引進(jìn)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(xué)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(yīng)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(jìn)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(yīng)在政策上鼓勵科研院校和相關(guān)企業(yè)進(jìn)行科技研發(fā)、產(chǎn)品創(chuàng)新和品牌建設(shè)，進(jìn)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(jìn)產(chǎn)品融入全球高端制造業(yè)供應(yīng)鏈。建議通過“產(chǎn)學(xué)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(yīng)積極拓展高熵合金應(yīng)用領(lǐng)域，通過開展合作研發(fā)和示范應(yīng)用項目，推動高熵合金在實際應(yīng)用中取得更多突破。


文章轉(zhuǎn)自：中國工程院院刊