合金寶藏——高熵合金

傳統合金是由以1-2種金屬元素為基礎，添加不同的合金元素以改善性能的材料，現已被廣泛應用的有鐵合金、鋁合金、鎂合金、鈦合金等。2004 年臺灣學者葉均蔚首次實現合金化理論大突破——提出多組元高熵合金。至此高熵合金逐漸走進新材料界的視野，以應對人類對材料性能的高要求。

1 高熵材料

高熵材料：一類由多種元素以等摩爾比（或近等摩爾比）組成的新型多主元材料，是目前國際材料學術界的重要研究熱點之一。高熵材料包括過渡元素高熵合金、難熔高熵合金、共晶高熵合金、高熵非晶合金、高熵高溫合金、高熵陶瓷、高熵金屬間化合物等。

2 高熵合金

高熵合金（High-entropy alloys，HEA）：也稱多主元合金、成分復雜合金。最初定義為由5種或5種以上元素以等摩爾比（或近等摩爾比）組成。在高熵合金中，各種元素的原子無序隨機的分布在晶格位置上，因此在熱力學上表現出高熵效應，在動力學上表現緩慢擴散效應，在結構上表現晶格畸變效應。

高熵合金在力學、電磁學、抗腐蝕、耐高溫等方面相較于傳統合金都表現更優異。高熵材料獨特的晶體結構，高混合熵抑制了金屬間化合物的形成，促進了晶體結構簡單的飽和固溶體形成。最新研究發現高熵合金的固溶體結構中存在明顯的元素波動，控制高熵合金中的元素濃度波動，可有效改善力學性能。高熵合金中還可能析出彌散分布的納米晶、非晶結構，在固溶強化、析出強化、納米/非晶復合強化等方面提高了力學性能。

①過渡元素高熵合金

過渡元素高熵合金以 Mg、Co、Cu、Cr、Fe、Mn 等過渡元素作為主元素，常用元素組合有AlCrFeNi、CoCrFeNi、AlCoCrNi、AlCoFeNi、AlCoCrFe。過渡元素高熵合金大多是體心立方（BCC）結構相或面心立方（FCC）結構相的固溶體合金。

②難熔高熵合金

難熔高熵合金以 Ti、V、Nb、Cr、W、Zr 等難熔金屬元素作為主元素。難熔高熵合金可分為2類：①單相BCC結構的固溶體難熔高熵合金；②在BCC固溶體基體上析出第二相金屬間化合物的難熔合金體系。主要作為航空飛行器耐高溫材料，目前已達到最小密度為5.59g/cm3，最高使用溫度為1400K。

③高熵高溫合金

高熵高溫合金是一類以FCC或BCC固溶體為基體，在基體上均勻分布著晶體結構相似的有序第二相的高熵合金，第二相起到析出強化作用。

④共晶高熵合金

共晶高熵合金兼具共晶和高熵合金的優點，強度大、塑性強、良好的高溫蠕變抗力、低能相界且組織可控。

3 高熵合金潛在應用領域

高熵合金目前應用于航空航天、核聚變反應堆、噴氣機渦輪葉片制造等領域，未來可期待的親民應用有：

①刀具材料高速鋼硬度高，但塑性、韌性差、易折斷。高熵合金可用于制造對材料要求較高的模具和刀具，目前，普通模具鋼正逐漸被高熵合金替代。

②作為耐熱材料用于焊接、渦輪葉片、熱交換器、高溫爐等。

③作為耐腐蝕材料應用于化學工廠、航海船舶等易腐蝕環境。

④高熵合金的高硬度、高耐磨性、較低彈性模量，可用于制造高爾夫球頭的打擊面、油壓氣壓桿、鋼管及輥壓筒的硬面。

⑤高熵合金軟磁性、高電阻率的特性，可應用于制造高頻通訊器件，如高頻變壓器、馬達的磁心、磁頭、磁盤、高頻軟磁薄膜等。

此外，高熵合金在電熱、儲氫材料、IC擴散阻絕層等其他工業領域也表現出廣泛的應用前景。目前，更深入地進行高熵合金的顯微組織分析、相圖分析、熱力學分析、性能測定等研究是國際材料學術界同一的使命，建立更為科學的選擇合金元素理論、高熵合金的熔鑄理論、凝固結晶理論、壓力加工理論等。期待高熵合金更廣泛且深入的應用，持續在尖端化工領域綻放溢彩！

參考文獻：

[1]高熵合金及其他高熵材料研究新進展[J].王曉鵬，孔凡濤.航空材料學報,2019,39(06):1-19