高熵合金的研究现状李允东1（1浙江工业大学激光加工技术工程研究中心，浙江杭州310014）摘要高熵合金是一种新型的合金材料。不同于传统合金，高熵合金拥有五个或者更多的主元，多主元带来的高熵值可以抑制复杂相结构和大量金属间化合物生成，同时也使其拥有优异的综合性能，可以用在许多场合。大量研究表明，高熵合金种类繁多，性能优异，是一种可设计、可制备、可分析、可应用的新材料。本文介绍了高熵合金的基本特性、相关理论、研究现状，讨论了目前存在问题并对未来的发展进行了展望。关键词高熵合金多主元合金理论发展现状主元作用中图分类号O436文献标识码AAReviewofHigh-EntropyAlloyLiYundong1(1ResearchCenterofLaserProcessingTechnologyandEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou,Zhejiang,310014,China）AbstractHigh-entropyalloyisreviewedinthispaperasanewadvancedmaterial.High-entropyalloysareanovelclassofmetallicmaterialwithadistinctdesignstrategy.Theyareusuallycomposedoffiveormoreprincipalelements.Numerousintermetalliccompoundsareinhibitedbyhigh-entropyeffectinhigh-entropyandcombinationpropertyofitinmanyisremarkable.High-entropyalloyarevarious,andcanbedesigned,produced,analyzedandapplied.Inthispaper,thecharacters,theoriesanddevelopmentofhigh-entropyalloysareintroduced.Meanwhile,theproblemsanditsfuturearediscussed.Keywordshigh-entropyalloys;multi-elementsalloys;theory;development;effectsofelementsOCISCodes1引言合金是指由两种或两种以上的金属之间或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。传统理论认为合金中只有一、两种金属元素为主要元素，含量大于50%，而其余的金属或非金属元素作为添加元素用于改善性能。合金的出现极大地丰富了人类对材料的选择，促进了工具的更新和人类文明的进步。当今社会，合金已渗透到人类生活的各个领域，例如铁碳合金广泛应用作为结构材料使用，钛合金广泛用于航天航空领域等。随着科技的发展和社会的进步，人类对合金的要求越来越多、也越来越高，传统的合金已渐渐无法满足社会需求。解决这个问题的传统方法是在合金中改变添加元素种类和配比，但是随着添加种类的逐渐增加，学者们发现两个问题：1）随着添加元素的种类增加，合金结构变得复杂，难以分析。2）随着添加元素的数量增加，产生大量金属间化合物，严重恶化合金性能。这两个问题严重限制了合金种类的拓展，逐渐成为了合金性能改良的瓶颈问题。1995年，中国台湾学者叶均蔚教授突破了传统合金理论的束缚，提出了多主元合金的设计理念[1]。所谓多主元合金就是每一主元含量在5%-35%之间。由于主元数量很多，又没有一种主元站主导地位，所以合金的混乱熵值很高，因此多主元合金也称为高熵合金（High-entropyalloys，HEAs）。根据Boltzmann假说，n主元混合熵值Smix的表达式为：（1.1）式中R为气体常数，ci为i主元摩尔含量百分比。由表达式可以得知当各主元等摩尔比时，Smix最大。当n分别为2和3时，Smix最大分别等于0.693R和1.099R，而n=5时Smix=1.609R，由此可知，主元数量越大，混乱熵值越高。根据吉布斯自由能公式：G=H-TS，自由能的贡献有焓和熵两个方面，而高混合熵可以显著降低自由能，并保证在高温处的稳定性。另外高熵值促进合金的结构简单化，并抑制金属间化合物的形成。根据经典的Gibbs相率，n种元素的合金系统的平衡相的数目p=n+1，在非平衡凝固时形成的相数p﹥n+1。在高熵值的作用下，高熵合金结构较为简单，不会出现大量复杂相，而是根据成分不同，结构多为有序或无序固溶体，亦或是两者兼有。HuiZhang等人[2]制备了FeCoNiCrCuTiMoAlSiB十主元高熵合金涂层，经XRD测试，涂层相结构为单一的有序体心立方结构，数量远低于传统合金理论的预期，如图1.1。这一特性的发现，成功地拓宽了合金设计的思路。高熵合金的另一显著特点是易纳米化和非晶化。总所周知，传统合金在铸态下基本没有纳米相结构存在，要想其析出纳米相，需要进行特殊处理，而非晶在功能材料领域有着重要作用，它通常是在超...