高熵合金的研究与应用进展

□ 张文毓

中国船舶集团有限公司第七二五研究所 河南洛阳 471023

1 高熵合金概述

关于高熵合金的相关报道始于2004年,叶均蔚首先提出通过增加合金的组元来提高合金的混合熵,高的混合熵可以阻碍金属间化合物的生成,从而促进简单固溶体相的生成,由此引出了高熵合金这一概念,标志着高熵合金的诞生[1]。高熵合金具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应、性能上的鸡尾酒效应,容易获得热稳定性高的固溶体相和纳米结构,甚至非晶结构,这些独特的微观结构,使高熵合金除了具有优异的力学性能外,还具有特殊的功能性质。基于此,除了目前对高熵合金的研究主要集中在其作为结构材料的潜在应用外,还应利用其广阔的成分设计空间,开发出具有更多独特功能特性的材料。同时,新颖的合金设计理念和高浓度的固溶结构,也赋予了高熵合金许多独特的动力学和热力学特性,使其具备特殊的功能性质,如优异的耐蚀性和耐磨性,良好的软磁性质、耐辐照效应、催化特性、生物相容性等。然而,当前对高熵合金功能性质的系统研究总结还很欠缺。

1.1 高熵合金定义

高熵合金的定义可以分为两种,一种为基于成分的定义,另一种为基于熵的定义。叶均蔚在2004年提出了基于成分的高熵合金定义:由5种或5种以上主要元素组成的合金,且每种主要元素的摩尔分数在5%～35%之间。在有其它次要元素时,每种次要元素的含量需小于5%。高熵合金基于熵的定义与合金的构型熵有关,熵值大小对合金结构的稳定性起着决定性作用。

1.2 高熵合金分类

经过多年研究,高熵合金出现了大量的新成分,这些高熵合金成分主要有两种分类方式,一是按照相的结构类型分类,二是按照相的种类分类[2]。前者,高熵合金可以分为FCC型(面心立方结构)、BCC型(体心立方结构)、HCP型(密排六方结构)、非晶型及金属间化合物型。后者,高熵合金可以分为单相、双相、共晶及多相高熵合金等。

高熵合金主要分为金属类高熵合金和复合类高熵合金,高熵合金在性能方面具有鸡尾酒效应,通过调整所含元素种类、配比,可得到具有轻质、难熔等优异性能[3]。金属类高熵合金主要有AlCrFeCoNiCu体系、VNbMoTaW体系,以及其它金属体系,所含元素除了金属元素Al、Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu等外,还有类金属元素Si、B等。复合类高熵合金通过引入细小硬质颗粒,进一步增强了多主元高熵合金的力学性能,合金主要有陶瓷增强相(TiC、TiB、TiB2、B4C)、金属间化合物(TiAl、Ti3Al、Ti5Si3)、氧化物(Al2O3、稀土元素氧化物),以及氮化物(AlN、TiN)等。

1.3 高熵合金特性

根据传统的物理冶金及热力学理论,复杂成分的合金将会形成复杂的多相组织,金属间化合物相及各种无序相可能使材料变脆,阻碍其加工与应用。然而研究者发现,许多高熵合金体系并未出现复杂的多相结构,而是倾向于形成简单的固溶体结构,且在动力学、组织及性能上与传统合金具有明显的差异。高熵合金的基本特征可总结为四个方面:热力学上的高熵效应、动力学上的缓慢扩散效应、结构上的晶格畸变效应以及性能上的鸡尾酒效应。高熵合金具有很多特性,如高强度、高硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性,有着广阔的发展前景。

1.4 高熵合金制备

目前,研究者已开发出多种方法制备高熵合金,通过优化相关工艺参数,可以有效调控高熵合金的结构及性能。高熵合金的制备方法主要包括机械合金化法、电弧熔炼法、铸锭冶金法、粉末冶金法、选择性激光熔化法、激光熔覆法、电化学沉积法、真空熔炼法和真空磁悬浮熔炼法等,其中铸锭冶金法、粉末冶金法、选择性激光熔化法、真空熔炼法和真空磁悬浮熔炼法等多用于制备块体高熵合金,而激光熔覆法和电化学沉积法通常用来制备高熵合金薄膜或高熵合金涂层。

2 研究现状

对高熵合金的研究主要有以下三个体系:一是以Cr、Mn、Fe、Co、Ni 等为主元的过渡族高熵合金,二是以Mo、Nb、Ta、Hf、Zr 等为主元的难熔高熵合金,三是以稀有金属元素为主元的高熵合金。这些合金所选用的元素密度普遍都较大,导致制备出的高熵合金具有较大的密度。目前,材料日益趋于轻量化,过高的密度降低了这些高熵合金在工程应用上的价值。

高熵合金具有良好的发展前景,AlFeCuCoNiCr、AlTiFeNiCuCr、AlCoCrCuFeNi等高熵合金系列都被广大学者所研究。对于高熵合金,现阶段还可以对其微观组织结构进行相分析及电化学性能、磁性能的测定,对合金元素选择理论、凝固结晶理论以及热处理理论等要进行进一步研究。

目前,制备高熵合金的方法有用熔铸、锻造、粉末冶金、喷涂法及镀膜,可制作块材、涂层或薄膜。除了上述几种传统制作加工方法外,高熵合金还可通过快速凝固、机械合金化来获得。

2.1 过渡元素高熵合金

过渡元素高熵合金以Al、Mg、Co、Cu、Cr、Fe、Mn、Ni、Ti、Sn和Zn等作为主元素,其中AlCrFeNi、CoCrFeNi、AlCoFeNi、AlCoCrNi和AlCoCrFe是目前过渡元素高熵合金中采用最多的元素组合[4]。过渡元素高熵合金基本都是BCC型或FCC型的固溶体合金,早期研究报道的高熵合金基本都可认为是过渡元素的高熵合金。

2.2 难熔高熵合金

高熵合金,又称为多主元固溶体合金,因其独特的合金设计理念和优异的综合性能引起了国内外研究人员的普遍关注,逐渐成为金属材料领域的研究热点。难熔高熵合金是基于难熔元素的高熵合金而设计开发的一种新型高温合金,与传统的高温合金相比,难熔高熵合金具有更高的高温强度、高温抗氧化性能及高温相稳定性,在航空航天、石油化工等领域具有广阔的应用前景,自2010年被提出以来,已成为高熵合金研究领域的一个重要分支。

随着航空航天飞行器飞行速度的提高,高温承载结构和热防护结构对耐高温材料的使用温度和性能要求也越来越高,难熔高熵合金以其独特的组织结构和优异的高温性能成为重要的候选材料之一。难熔高熵合金主要以难熔金属元素Mo、Ti、V、Nb、Hf、Ta、Cr、W、Zr,以及Al等为主元素,具有优异的耐高温性能。根据难熔高熵合金晶体结构,难熔高熵合金体系大概可分为两类。一类是单相BCC型的固溶体难熔高熵合金,另外一类是在BCC型固溶体基体上析出第二相金属间化合物的难熔合金体系,主要包括Laves相析出强化和BCC/B2(有序体心立方结构)共格析出强化的难熔高熵合金。

难熔高熵合金所含元素的熔点比较高,并且相互之间的熔点差别较大,最常用的制备方法是熔铸法,主要包括电弧熔炼、感应熔炼和电子束熔炼等。随着科研人员不断开发新系列的难熔高熵合金,制备方法也逐渐丰富起来,例如有真空感应冶炼法、机械合金化法、磁控溅射法、热喷涂法等。难熔高熵合金作为特种高温合金,具有诸多优异的性能,如高温力学性能以及耐磨耐腐蚀、抗高温氧化和耐辐照等性能。

航空材料要求具有较高的强度、低的密度、优良的耐腐蚀及抗疲劳等性能,发动机材料更需要耐高温性能,含有高熔点难熔金属元素的高熵合金,在高温环境下显示出了优异的材料性能[5]。目前,共有120余种难熔高熵合金被合成,并对其物理和力学特性如密度、拉伸性能、压缩性能、弹性模量和抗氧化性等进行了实验测试。

2.3 高熵高温合金

单相高熵合金虽然具有优异的室温力学性能,但其高温强度却无法令人满意。早期难熔高熵合金的密度较高,无法满足航空航天领域对轻质耐高温结构材料的要求,随着轻金属元素Al、Ti等的加入,难熔高熵合金的密度显著降低,但在单相基体上形成了析出相。基于传统高温合金的析出相增强设计方法,Lei Zhifeng等[6]于2015年提出了高熵高温合金概念,高熵高温合金是一类以FCC型或BCC型固溶体为基体,在基体上均匀分布着晶体结构相似的有序第二相的高熵合金,第二相起到析出强化的作用。

2.4 共晶高熵合金

目前,传统高熵合金的相结构主要包括FCC型、BCC型、HCP型、B2型等,传统高熵合金都是FCC型或BCC型的单相合金,难以兼具高强度和高塑性,Guo Sheng等[7]在研究不含Co的AlxCrCuFeNi2高熵合金过程中发现,高熵合金中的FCC/B2型组织与传统高熵合金明显不同,存在大量亚微米棒状的B2型,表现出典型的共晶合金组织特征,而且在过共晶合金中存在类似向日葵形貌的微观组织。

高熵合金的铸造性能较差,铸造宏/微观偏析严重,由此限制了高熵合金的工业化应用。为解决高熵合金存在的这些问题,Lu Yiping等[8]根据共晶合金的概念,提出了一种具有塑性FCC型和高强度BCC型交替的片层或棒状显微组织即共晶高熵合金设计方法。共晶高熵合金兼具了共晶和高熵合金的优点,具有优异的强度和塑性、良好的高温蠕变抗力、低能相界且组织可控特点。

共晶高熵合金是典型的层状或杆状共晶组织的原位复合材料,兼备了共晶合金和高熵合金的优点,让高强度相(BCC型或HCP型的金属间化合物)和高塑性相(FCC型)通过共晶生长形成共晶高熵合金[9]。因此,对传统的单相FCC型或单相BCC型的高熵合金而言,共晶高熵合金能够兼顾强度与韧性,综合性能优越。

2.5 高熵非晶合金

根据Inoue非晶形成经验判据,由三种以上元素组成是一条重要的标准,这与高熵合金的多主元设计准则相符。Ma Liqun等[10]在Ti-Zr-Hf-Cu-M(M=Fe,Co,Ni)合金的非晶形成能力研究中发现,参考Greer的混淆准则制备出等含量的Cu20Hf20Ni20Ti20Zr20非晶合金,根据后来提出的高熵合金的概念,可以认为Cu20Hf20Ni20Ti20Zr20是第一种报道的高熵非晶合金。因此,高熵非晶合金被定义为由五种或者五种以上元素/近等原子比形成的非晶合金,与传统单一主元素的非晶合金相比,高熵非晶合金具有更高的混合熵。高熵合金中固溶体相和非晶相的生成主要取决于原子尺寸分散性和混合焓两个物理参数,研究发现,当原子尺寸分散性大于0.064,混合焓小于-12.2 kJ/mol时,高熵合金会形成高熵非晶合金。高熵非晶合金的出现,极大地扩展了非晶合金的应用,其在磁制冷、软磁性、生物医用、比强度等方面具有显著的优势。

2.6 高熵陶瓷

Murty等[11]指出在陶瓷中也会存在混合熵效应,提出了高熵陶瓷的概念,并认为高熵陶瓷具有优异的物理和力学性能,但早期研究主要集中在高熵氮化物和高熵碳化物涂层方面。高熵陶瓷具有优异的摩擦性能、抗氧化能力和耐腐蚀性能,通过沉积氮化物涂层,可以为材料提供较高质量的保护涂层,具体包括(AlCrTaTiZr)N、(AlCrMoSiTi)N、(AlMoNbSiTaTiVZr)N等,这些氮化物都是单一相的固溶体。这些氮化物固溶体均由单元素靶材形成并具有高构型熵,因此将这种氮化物涂层定义为高熵氮化物。

2.7 高熵金属间化合物

高熵合金的高混合熵虽然抑制了金属间化合物的形成,但在部分高熵合金中仍存在少量的金属间化合物析出相,细小的金属间化合物析出相可有效地改善高熵合金的力学性能。Guo Sheng等[7]通过控制有序无序相变和元素分配,实现了纳米尺寸析出物的形成,在FCC型高熵合金中,引入韧性多组元金属间化合物纳米析出相,充分发挥了纳米金属间化合物析出相的强化作用,使高熵合金具有较高的强韧性。

3 应用进展

高熵合金由于具有耐高温性能和较高的抗压强度,常作为焊材和高温材料应用于耐火钢结构骨架以及高温设备中,同时高熵合金具有一定的耐腐蚀性能,可以应用于化学工业设备、航海工程领域。然而高熵合金目前生产成本较高,若是完全替换大型设备中的钢铁材料,难免成本过高,因此人们尝试使用激光熔覆技术进行表面改性,在材料的表面制备高熵合金涂层,这样既满足了人们对性能的需求,同时又大幅度降低了生产成本。激光熔覆技术是目前被广泛应用的表面改性技术,材料表面的涂层在被激光照射后发生熔化,与基体发生扩散或冶金结合,从而得到具有一定特殊性能的熔覆层。由于高熵合金的造价较高,因此制备高熵合金涂层,既可以满足材料的性能要求,同时又可以最大程度降低成本。

目前的研究已经取得了许多重要进展,激光熔覆制备的涂层需要满足无裂纹、表面平整、稀释率低等条件,但是由于高熵合金组成元素的多样性以及激光束的超快速加热和冷却,往往会使熔覆层出现裂纹、气孔等缺陷,因此选择合适的元素组合以及含量是制备高熵合金涂层的重要研究方向。润湿性是熔覆过程中的重要因素,如果润湿性不好,基体会与熔覆层发生层间剥落,因此应选择基体中的主要元素作为高熵合金涂层的成分之一。

高熵合金涂层在钛合金表面改性中也有重要作用,钛合金因其低密度、高比强度、高温力学性能和耐腐蚀性等优点,受到人们的广泛关注,但由于其存在摩擦因数高、耐磨性能差、易受黏着受损和微动摩擦影响,以及在高温快速摩擦下易着火等缺点,很大程度上制约了其应用范围,而由于摩擦、磨损、易着火等缺陷都与其表面性能有关,而采用激光熔覆技术制备高熵合金,可以巧妙结合两者的优点,以达到对钛合金表面改性的目的。

由于高熵合金具有优异的性能,在许多领域都具有潜在的应用价值[12]。高熵合金可用于焊接工程领域,例如用作两种合金之间的过渡层,形成独特的高熵合金焊缝,用于提高钛/钢焊接接头的力学性能。利用其高硬度、高耐磨性、高强度以及优良的耐高温性能、耐蚀性,可制备各类工、模具。利用其极高的耐辐射性和高耐腐蚀性,用在核工业领域,可制成核燃料和高压容器的包层材料。利用其优异的耐磨性,可制备各类耐磨涂层或模具材料,例如激光熔覆高熵合金涂层刀具,具有表面硬度高、摩擦因数小、断屑效果好的特点,使被加工材料的表面光洁度高。利用其良好的塑性,易于制成涡轮叶片,而其优良的耐蚀性、耐磨性、高加工硬化率及耐高温性能,可保证涡轮叶片长期、稳定地工作,提高服役安全性,减少叶片的磨损、腐蚀失效。难熔金属高熵合金可用作隔热涂层,高熵合金碳化物和氮化物可以用作生物医学涂层,轻质高熵合金可用作移动设施,如电池负极材料。高熵合金具有优异的高温性能,可替代镍基高温合金用于航空航天领域。

3.1 高温性能的应用

无论何种类型,热机的效率随着温度的升高而提高。在诸如核能、燃煤和燃油等发电行业中,工作温度的升高,可以降低燃料消耗,减少污染和运行成本。在喷气发动机中,工作温度的升高可使性能改进,例如更大的有效载荷、更高的速度和更大的范围等。目前发动机主要部件材料的开发研究还是集中于Ni基高温合金材料,但由于其初始熔点大约在1 300 ℃,镍基高温合金适用温度仅在1 160～1 277 ℃之间。因此,开发具有更优异耐高温性能的发动机部件材料变得至关重要。

3.2 断裂韧性的应用

材料的断裂往往关乎着安全问题,一般来说,根据失效应变可以分为脆性断裂和韧性断裂。脆性断裂没有塑性变形的迹象,通常以灾难性方式发生,因此开发具有卓越性能的新型金属材料具有重要意义。据相关报道,当温度从298 K下降到77 K时,CrMnFeCoNi高熵合金的断裂韧性几乎保持恒定,而CrCoNi的断裂韧性则略微有所提高。Al0.1CoCrFeNi和Al0.3CoCrFeNi高熵合金的冲击能量随着温度下降而降低,并且以近似线性的方式体现,较为缓和。在这些高熵合金中,没有出现如钢、非晶合金、镁合金、多孔金属和纳米金属等许多传统合金那样有尖锐的韧脆转变,表明这些合金可用于船体、飞机和低温储存罐等。

3.3 耐腐蚀性的应用

我国每年因腐蚀而引起的材料浪费极其严重,研究和开发具有耐腐蚀性较好的材料对资源的节省具有重要意义。Zhang等[13]通过激光表面合金化方法,在304不锈钢上制备了具有良好冶金结合性能的FeCoCrAlNi高熵合金涂层,相关试验的结果表明,FeCoCrAlNi涂层的显微硬度是304不锈钢的3倍,在3.5%的NaCl溶液中,其抗空蚀性能是304不锈钢的7.6倍左右,电流密度比304不锈钢降低了一个数量级。Ye Qingfeng等[14]采用激光表面合金化的方法制备了CrMnFeCoNi高熵合金涂层,在3.5%的NaCl和0.5mol/L H2SO4溶液中进行了电位动态极化试验,试验结果表明,高熵合金涂层的耐蚀性能均优于A36钢基体,腐蚀电流甚至低于304不锈钢。高熵合金作为一种新开发的多主元合金,超越了基于单一多数主体元素的传统合金的设计限制,具有提高耐腐蚀性的潜力,表明这些具有优异内在耐腐蚀性的新型合金,在恶劣环境的应用中具有巨大的经济和安全益处[15]。

3.4 异种金属焊接中的应用

近年来,基于国内外对降低能耗的需求,轻量化在制造工业中受到广泛的重视。异种金属焊接可以综合发挥不同材料的性能优势,成为实现轻量化的有效途径。然而,在多数异种金属连接接头处会形成硬而脆的金属间化合物,严重降低焊接接头的强度和韧性。高熵合金兼具高熵效应与迟滞扩散效应,使其具有作为中间层材料或者钎料应用于异种金属连接以改善脆性金属间化合物带来问题的巨大潜力。包括铝-钢异种金属体系、钛-钢异种金属体系、铜-钢、铜-钛异种金属体系。

总体而言,高熵效应与迟滞扩散效应的协同作用,使高熵合金作为中间层材料或者钎料使用,可以一定程度上抑制焊接接头脆性金属间化合物的形成,提高界面结合强度,进而提升异种金属焊接接头的力学性能[16]。但是现有相关研究涉及到的高熵合金成分体系有限,需要开展更加系统的研究,针对不同异种金属体系,筛选出最优化的高熵合金中间层材料/钎料成分。

3.5 电催化领域中的应用

高熵合金具有高度无序的结构和广泛的成分调制范围,在力学性能、磁性等方面展示出优异的性能,近来研究结果表明,高熵合金在电催化反应中有望成为理想的催化材料[17]。催化反应的本质是对不同中间物种的吸附与脱附的过程,通过火山图可以得知,在催化剂具有合理适中的吸附能时,对应火山图顶点,其催化活性较高。而高熵合金由不同元素形成的广泛可调吸附能区间,从理论上可以满足催化剂的本质需求,并且其伴随的高度混合熵带来的稳定性,也是催化剂所必须的性能,正是由于上述提到的效应,使高熵合金在电催化析氢、析氧以及氧还原等反应中发挥了其巨大的潜能。

3.6 轻质高熵合金的应用

高熵合金只有15年的研究历史,由于具有独特的成分设计、简单的微观结构、优异的性能而受到广泛关注。根据元素的选取不同,高熵合金也被划分为3d过渡金属高熵合金、难熔高熵合金、镧系过渡金属元素高熵合金,以及轻质高熵合金等。3d过渡金属指元素周期表中d区的一系列金属元素。轻质高熵合金在2010年之后才进入人们的视野,其组成元素大多为轻金属,在具备高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀等优异性能的同时,还具备密度小的优点,可用于航空航天、新能源汽车、军事工业等领域,具有远大的发展前景。

然而,制约轻质高熵合金发展的因素也很多,主要为理论机制的不完善、制备工艺的不成熟以及生产成本高昂。理论机制不完善主要体现在高熵合金的相结构难以预测,以及四大效应不能完全解释高熵合金微观结构和性能的独特性。制备工艺的不成熟主要体现在块体轻质高熵金属的制备方式较少,且不利于大批量工业生产。成本高昂主要体现在大多数轻金属单质价格昂贵,且每种元素在轻质高熵合金中的成分占比较高。由于发展历程较短,上述问题还不能得到有效解决,目前对轻质高熵合金的研究集中在根据现有的理论及生产水平,设计密度低、力学性能优异的新型合金。

截至目前,研究人员已经成功开发出的轻质高熵合金主要有Al20Li20Mg10Sc20Ti30、Al20Be20Fe10Si15Ti35、AlLiMgZnSn等,这些轻质高熵合金分别采用机械合金化法、电弧熔炼法、感应熔炼法进行制备,拥有低密度、高强度的优点,这些制备工艺为今后的研究提供了指导。

高熵合金由于具有独特的合金设计理念和优异的性能而受到广泛关注[18]。早期的高熵合金主要基于过渡族元素、难熔元素或者稀土元素,密度相对较高,从而极大限制了其应用。轻质高熵合金是基于Al、Li、Mg、Ti等轻质元素开发的一类新型高熵合金,在材料轻量化的趋势下,关于轻质高熵合金的研究逐渐增多。轻质高熵合金作为高熵合金的新分支,具有低密度、低模量、高比强度、高比硬度的独特优势。除此之外,轻质高熵合金还具有高熵合金的高强度、高硬度、优异的耐磨性、良好的耐氧化性、优异的耐腐蚀性、良好的抗高温氧化和抗高温软化性能以及良好的生物相容性等特点。这些性能上的优势,使轻质高熵合金在航空航天以及生物科技领域极具应用潜力。

3.7 增材制造技术中的应用

激光熔覆是一种重要的增材制造工艺,高熵合金材料具有良好的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损等特点,采用激光熔覆工艺制备的高熵合金涂层展现出了良好的性能,为其作为高效防护涂层奠定了应用基础。包括CoCrFeNi系高熵合金、CoCrFeNiMn系高熵合金、AlxCoCrFeNi系高熵合金、难熔高熵合金、其它体系高熵合金。

激光增材制造高熵合金在晶粒细化及构件形状复杂度方面具有不可替代的优势[19]。高熵合金由于其独有的特性,在功能与结构材料方面具有很大的潜在应用,而采用传统的铸锻和粉末冶金等加工方法很难制备形状复杂的零件以及超细晶组织,故采用增材制造技术是解决上述问题的一个有效途径。但是由于增材制造在成形高熵合金熔池内存在高温度和高应力梯度,在打印过程中难以避免热裂纹变形等缺陷的产生,降低了打印工件的性能。另外,选择性激光熔化快热快冷,使打印件呈现出前所未有的非平衡组织,因此,有必要对增材制造高熵合金的组织演化、加工成形性,以及后续的热处理进行进一步研究,具体包括:① 对打印后的样品进行热等静压处理,来消除打印过程中产生的微裂纹;② 通过建模和实验研究来优化打印参数,如激光功率、扫描速度、层厚、扫描策略等,以减小打印过程中的残余应力,抑制打印过程中裂纹的产生;③ 通过改变常规裂纹敏感性合金材料中的微量合金元素含量,以达到调整凝固路径和细化细晶尺寸的目的,降低打印过程中的裂纹敏感性。

4 展望

高熵合金作为近年来金属材料领域内发展迅猛的一种新型材料,具有重要的学术价值和广阔的应用前景[20]。尽管科研工作者围绕其进行了十余年的探索,但目前的研究仍处于基础阶段,造成这一困境的原因是目前缺乏全新的、更为科学的理论指导体系。高熵合金有别于传统合金,无论是用相图等现有的合金研究方法来分析,推测其成分、结构和性能的关系,还是通过鸡尾酒效应进行合金成分的选择和反复试验,都具有很大的盲目性。为避免科研资源的浪费,高效挖掘高熵合金的优异性能,将建模与仿真技术运用于高熵合金的组分设计和性能预测,将会是未来研究的热点。目前主流的高熵合金建模方法包括超胞方法、特殊的准无序超胞方法、虚拟晶格近似、相干势近似等,它们都是基于第一性原理,即密度泛函理论提出的。这些方法在帮助学界研究单一组分对高熵合金整体性能的影响、高熵合金电子态密度、合金层错以及预测高熵合金性能等方面,都有着较为成功的应用。

作为一种全新的高性能合金涂层,高熵合金涂层的研究起步较晚,在体系选择、功能设计、工艺优化、机理研究等方面还有着大量的空白,但随着研究的深入,高熵合金涂层正逐步展现出凌驾于传统涂层的优异性能,在硬度、耐磨性、耐蚀性、高温稳定性等方面都有着突出的表现。目前,高熵合金涂层面临着生产成本较高、工艺不成熟等诸多问题。未来的研究,一方面要致力于填补高熵合金涂层研究领域的空白,为高效制备优质的高熵涂层奠定基础;另一方面需围绕制备工艺优化与标准制定,以开发出成本低、性能强、附加值高的高熵合金涂层产品。

高熵合金的组织形成及性能方面的应用,其未来的发展趋势可以总结为四点。

(1) 由于现有的理论与设备主要是基于对含有一两个主要元素的传统材料的研究,缺乏更加基础的科学研究以及指导体系。

(2) 目前对于高熵合金体系的组成主要是集中在过渡族金属元素,为了探索一些新的组织形成,需要对有潜在价值的合金系统地进行更多的研究,以获得更好的性能,节省成本、能源和资源。

(3) 高熵合金材料的性能在特殊情况下,仍然受到一定的限制。对传统合金或材料所不能达到的性能的研究具有重要价值,具体包括室温超导体、超高温合金性能,以及具有极高热硬度和较长使用寿命的工具。

(4) 高熵合金中混合熵的贡献、晶格畸变、磨损、腐蚀和氧化等的机制和理论是否只是传统合金的简单延伸,值得进一步研究与探讨。