材料科學的發展一直伴隨著人類文明的發展，其中的金屬材料更是對人類歷史文明起到了決定性的作用。到目前為止，已經有30 多種實用合金體系應用到了人類生活的各個方面，例如，國民經濟支柱鋼鐵材料，應用僅次于鋼的鋁合金，實用金屬中質量最輕的鎂合金等等。20 世紀70 年代開始發展的Ti-Al 等二元的金屬間化合物，以及近年非晶合金（金屬玻璃）的開發及應用]，這些合金材料的設計都沒有掙脫傳統合金設計理念的束縛， 即都是以一種（含量一般超過50%）或兩種金屬元素為主，在此基礎上有目的的添加其他元素以達到改善金屬性能的目的。同時若合金中添加的其他元素過多，將會導致很多化合物的產生，尤其是金屬間化合物，不僅使金屬的力學性能變差， 也使合金組織結構的研究分析變得復雜。

但是， 傳統的理念禁錮不了人們自由科學的思想。葉均蔚創造性的提出了多主元高熵合金的合金設計新理念，徹底打破了傳統的合金設計理念。該理念提出20 年來，很多學者和團隊已經參與到對高熵合金的研究中來，并積累了很多研究成果。本文主要綜述了近些年來各位學者對高熵合金基礎理論的研究成果，包括其定義、組織結構、性能，部分研究成果以及應用前景展望。

1 高熵合金的定義

高熵合金的全稱是多主元高混亂度合金， 它至少由5 種（一般不會超過13 種）主要元素（金屬或金屬與非金屬）組成，每種主要元素的原子分數要大于5%且不能超過35%。因此這種合金的性能取決于這些主要元素所組成的基體性能。

之所以稱之為高熵合金是因為該種合金具有較高的熵。在熱力學中，熵代表一個系統混亂度，系統越混亂，熵值也越大。可通過熵值的變化來判斷物質間的反應能否發生，若反應能使熵值增大，則反應能自發進行。忽略一些對系統熵值影響較小的因素，高熵合金混合熵的計算以原子排列產生的混合熵為主。根據波爾茲曼關于熵變與系統混亂度關系的假設，n 種等摩爾元素混合形成的固溶體產生的摩爾熵變為△S=R·ln（n），R 是氣體常數，R=8.314J/（k·mol）。因此由2 種和5 種等摩爾元素形成的固溶體所產生的熵變分別為0.693R 和1.61R，以0.693R 和1.61R 為大約界限，可將合金分為以1 種元素為主的低熵合金，有2～4 種主要元素的中熵合金以及有5 種及以上主元素的高熵合金。如圖1 所示。

2 高熵合金的組織

根據吉布斯相率，n 種元素的合金系統平衡相的數目p=n+1，非平衡凝固時形成的相數p＞n+1。傳統的觀點認為，如果合金中添加的其他元素過多，將會導致很多化合物的產生，尤其是金屬間化合物，不僅使金屬的力學性能變差， 也使合金組織結構的研究分析變得復雜。但現有研究結果表明，高熵合金凝固后的晶體結構為簡單的體心立方或面心立方，有時還會形成非晶質， 甚至還會附帶一些晶間化合物相，而不會形成大量的金屬間化合物，所得合金的相數也遠遠小于由吉布斯相率計算所得相數。

圖2 是等摩爾二元到七元合金的XRD 分析結果。這種情況的出現是高熵效應引起的，由于合金元素種類較多，這些元素所形成的混合熵較大，產生較大的熵變，比形成金屬間化合物的熵變還要大。因此由高熵效應可知， 形成脆性金屬間化合物的反應將不會發生，而是促進元素間混合，最終形成簡單的體心立方或面心立方結構。研究結果也表明，高的混合熵可減小電負性差， 從而起到抑制化合物形成促進元素間混合的作用， 并最終形成了結構簡單的固溶體結構。高熵合金結構簡單的這一特性，極大方便了對其的研究。

高熵合金微結構的另一個特點是傾向于納米化， 甚至非晶化。動力學理論可解釋高熵合金具有納米化的傾向。高溫液態下的高熵合金，各元素原子之間混亂無序的排列，在冷卻凝固過程中，各元素之間的分離過程以及元素的長程擴散過程均非常緩慢，并在重新分配的過程中粒子間相互作用，結果導致成核及長大延遲，最終導致了納米相的形成。在原子大小差異較大情況下，例如快速凝固、真空鍍膜，形成的晶格會產生扭曲， 這會使合金更能展現納米化、非晶化得傾向。晶體結構的納米化能增加高熵合金的熱學、電化學性能以及物理性能等[9-10]。

如上所述，不同的原子間尺寸差異較大，易引起晶格畸變，這種晶格畸變會對材料的熱力學、電學、光學以及化學性能產生很大的影響，例如，晶格畸變會導致固溶硬化、熱阻及電阻的增高。此外，經機械加工后，可獲得納米晶粒的高熵合金。

3 高熵合金的性能

高熵合金特殊的組織結構決定了其獨一無二的性能。

3.1 高熵合金具有高強度、高硬度

同其他固溶體組織金屬一樣， 高熵合金也存在強烈的固溶強化效應。當合金凝固結晶時，固溶原子會阻礙位錯的移動，因此，形成的固相強度硬度都很高。合金內非晶相的地方，不存在晶界，使滑移運動變得更加困難，因此得到的固相強度更高；同樣的道理，高熵合金的中納米相、第二相也能進一步增強固相的強度。此外， 由于組成元素間原子尺寸的差異，造成晶格畸變，也會阻礙位錯運動，也使固相強度增高。如表1 所示， 高熵合金鑄態組織硬度為600～900HV， 不亞于碳鋼及合金碳鋼完全淬火硬化后的硬度。通過改變合金元素的含量，可進一步調整合金的硬度。

3.2 高熵合金具有較高耐磨性

眾所周知，材料的耐磨性跟其硬度有關，材料越硬，則耐磨性越高。由上所述，高熵合金具有很高的強度和硬度，因此不難得到，高熵合金也具有較高的耐磨性。

合金元素的變化對高熵合金耐磨性有較大影響，Wu 等研究了AlxCoCxCuFeNi 的粘附磨損行為，發現隨Al 含量的增加，體心立方相的數量增加，體心立方相能在提高硬度的同時降低合金的磨損系數，同時磨損轉變為氧化磨損。在氧化磨損過程中，表面會產生氧化膜， 表面氧化膜有助于提高合金的耐磨性能；Hsu 等研究表明， 用Mo 元素代替AlCoCrFeCuNi中的Cu 元素，得到的合金耐磨性顯著提高。另外，增加Fe 含量， 合金AlCoCrFeMo0.5Ni 的耐磨性將會降低， 這里耐磨性降低， 同樣跟其硬度降低有關系。由上可見，通過適當調整元素種類及含量，使高熵合金的耐磨性能達到最佳。

3.3 高熵合金具有優異的耐腐蝕性

高熵合金具有簡單的相結構，同時還可能含有非晶、納米晶以及具有低自由焓的特點，這些特點決定了其具有較強的耐腐蝕性。對于含有Ti、Cr、Ni 和Cu這些耐腐蝕元素的高熵合金，其中的耐腐蝕元素的耐腐蝕性都能得到充分發揮，這就能保證高熵合金在強酸環境下不被腐蝕。氧化膜不僅能提高耐磨性也能提高耐腐蝕性，合金中某些元素的存在有利于氧化膜的形成，因此也有利于提高耐腐蝕性。合金中的納米相和非晶相也能有效改善枝晶間的耐蝕性。若合金的纖維組織中存在偏析， 則可能會加劇合金的腐蝕傾向。多種體系高熵合金鑄態組織的耐腐蝕性如表1所示。

3.4 高熵合金具有優越的抗回火軟化特性

高熵合金的固溶體組織、原子尺寸差異、非晶相及納米相的特性存在決定了其具有較高的強硬度，高溫回火不僅不能改變其組織與原子尺寸， 而且還有可能析出更多的納米顆粒與非晶相， 使高熵合金仍具有很高甚至更高的強硬度。因此，高熵合金在回火后不僅沒有軟化， 反而會具有更高的強硬度。例如， 上述合金在1000℃的高溫環境下進行退火，保溫時間為12h，然后爐冷至室溫，測量其硬度發現基本沒有變化，有時甚至出現析出硬化的現象。相比之下，碳鋼及耐高溫高速鋼（僅高達550℃）均做不到這一點，同時也比其他有色合金表現的好。

另外，軟磁特性及高電阻率也是高熵合金的顯著特點。含有Al 和Cr 的高熵合金還具有高達1100℃的優異抗氧化性[15]。高熵合金性能優異，沒有哪種傳統合金能同時具備這么多優異的性能。

4 高熵合金的應用

高熵合金優異的性能特點決定了其廣闊的應用空間。

（1） 傳統的高速鋼在獲得高硬度的同時容易失去塑韌性，因此作為刀具時往往出現折斷。

（2） 高熵合金能夠同時具備多種優異性能，而普通鋼很難做到這一點， 因此高熵合金可用于制造對材料要求較高的工具、模具。現在，在生產塑料模和擠壓模的過程中， 普通模具鋼正在被高熵合金慢慢替代。

（3） 由上述性能的介紹易知高熵合金具有很好的耐高溫性能和較高的抗壓強度， 可用作焊接材料及高溫爐材料，也可用作超高大樓的耐火骨架、微電機材料。

（4） 優異的耐蝕性可使高熵合金在易產生腐蝕的環境下工作，例如可應用到化學工廠、航海船舶的建設及生產中。在兼顧高硬度、高耐磨性的同時高熵合金還具有較低的彈性模量， 使高熵合金非常適合制作高爾夫球頭打擊面、鋼管及輥壓筒的硬面。如果用噴涂濺渡或鑄造包套法等類似的成型方法， 就可制作很多構件的硬面。

（5） 軟磁性及高電阻率也是高熵合金的特點之一， 因此高熵合金在高頻通訊器件方面有很大的應用潛力。同時也可替代其他材料用以制作高頻變壓器、磁光碟和高頻軟磁薄膜等。

（6） 除此之外， 在很多其他領域， 例如電熱材料、除氫材料、IC 擴散阻絕層等工業領域，高熵合金也擁有廣闊的發展前景，見圖3。

5 高熵合金的發展前景

眾所周知， 高熵合金與大塊金屬玻璃和橡膠金屬被認為是最近幾十年來合金化理論的三大突破[11]，是一個可合成、分析和控制的合金新世界，可開發出大量的高科技材料。高熵合金獨特的組織結構以及優異的綜合性能，引起了國內外廣大學者的研究熱潮。葉均蔚研究組，張勇研究團隊，趙明研究小組以及K.B.Kim 等人， 都已經展開了對某些具體高熵合金的具體性質或制備方法的研究， 并取得了一定成果。

有理由相信，在不久的將來，穩定、可靠、具有工業生產價值的高熵合金將在各個領域出現。