顛覆合金設計理念：高熵合金或成下一代合金標桿

傳統的合金開發思維和經驗告訴我們，我們會通過往一種金屬元素中添加其他少量的其他合金元素來改善金屬的性能，但是合金元素種類過多會導致很多化合物尤其是脆性金屬間化合物的出現, 從而導致合金性能的惡化。此外, 也給材料的組織和成分分析帶來很大困難。 因此傳統思維方式告訴我們，在達到我們需要的性能條件下，添加合金元素的種類應越少越好。

但是，材料的世界總是充滿著奇妙。1995年中國臺灣學者葉均蔚等人突破傳統材料設計觀念，提出了一種全新的合金設計理念, 即制備多主元高熵合金，又稱多主元高亂度合金，而這種合金有望成為下一代合金的標桿。

多主元高熵合金的含義

多主元高熵合金由n(n≥5)種金屬或金屬與非金屬，經熔煉、燒結或其他方法組合而成具有金屬特性的材料。從目前的研究狀況來看, 為了獲得較高的熵值, 高熵合金的主要組元都大于5種，組元的原子分數一般不超過35%，沒有一種元素含量能占有50%以上，這種合金是由多種元素共同表現特色，擺脫了傳統合金以一種金屬元素為主的觀念。

高熵合金效應

（1）高熵效應

等原子比合金按正則溶體得到的混合熵和組元數N的關系

根據Boltzmann關于熵變與系統混亂度關系的假設，n種摩爾元素混合形成固熔體時產生的摩爾熵變（配位熵）ΔS＝Ｒ·ln（n），則當ｎ=2、3、5時，ΔS分別為０.69Ｒ、1.10Ｒ和1.61Ｒ 。如果考慮原子振動組態、電子組態、磁矩組態等的正貢獻，系統的熵變還要更大，這就是高熵合金所表現來的熱力學高熵效應。

傳統合金以一種元素為主，其摩爾混合熵一般小于0.693R。為了與傳統合金有明顯區別，且充分發揮多主元高亂度效應，一般規定高熵合金的主要元素種類ｎ≥５且ｎ≤13 ，這是因為當合金元素的種類大于13時，合金的摩爾混合熵變化不再明顯。對于每一種多主元合金系統可設計成簡單的等原子摩爾比合金，也可設計為非等原子摩爾比合金，以及添加次要元素來改良合金性能。

高熵效應主要是用于解釋高熵合金中多組元互溶生成簡單相的原因：一方面，高溫條件下的高混合熵能有效減少合金系的Ｇｉｂｂｓ自由能，從而穩定生成的簡單相；另一方面，高熵可能減小電負性差，抑制化合物形成，促進元素間的混合，形成簡單FCC或BCC相。

高熵合金中的固溶體相會產生較強的固溶強化效應，能夠顯著增加合金的強度、硬度等機械性能。

（2）遲滯擴散效應

合金在凝固過程中，組成元素擴散的快慢決定了組織結構的形貌特點。合金在熔融狀態下合金系內各原子混亂排列，在凝固時需要借助各元素協同配合擴散才能分相，從而造成新相易形核而難長大；同時，由于高熵合金元素種類較多，其原子尺寸相差較大，其內部結構相對復雜，這便容易凝固時產生致密的納米級析出顆粒和非晶相，有可能大大增強合金的耐腐蝕性。

（3）晶格畸變效應

與一般晶體材料受外力作用而發生晶格畸變不同，高熵合金中元素種類較多，并以等摩爾比存在，各元素原子能夠以同等機會占據各個晶格位置。由于原子尺寸大小不一，會造成嚴重晶格畸變。可以預料, 如果原子尺寸差別足夠大 ,畸變的晶格將會坍塌而形成非晶相 ,因為晶格畸變能太高而無法保持晶體的構型。無論在晶體結構中還是在非晶態結構中 ,這種畸變效應都會影響材料的力學 、熱學 、電學 、光學乃至化學性能。例如, 高熵合金中的晶格畸變效應會導致高的固溶硬化、熱阻及電阻。

（a）整齊排列的 Cr 晶體 BCC 結構; (b)嚴重晶格畸變的多組元形成的 BCC 結構

（4）雞尾酒效應

對高熵合金來說，各組元共同影響合金的整體性能。通過選取各種特定元素，以等摩爾比或近等摩爾比制備高熵合金，以元素的性質來對合金的性質進行復合，或許能夠得到具有不同特性的高熵合金。這便是由印度科學家提出的“雞尾酒”效應。舉例來說，如果使用較多輕元素，合金的總體密度將會減小；如果使用較多的抗氧化元素，如鋁或硅，合金的高溫抗氧化能力就會提高。

專家論壇

目前有關高熵合金的研究還處于探索性階段，主要集中在高校和研究院所，雖然一些專家學者對高熵合金的元素組成和含量、制備工藝及組織性能等進行了研究，但至今尚未形成較成熟的理論。

北京科技大學新金屬國家重點實驗室張勇認為：“我們幾乎已經探索過傳統金屬的所有方面，而對于高熵合金這方面的研究是全新的。”高熵合金尚未從實驗室推廣到市場，不過有研究者們正在朝這方面努力，期望在高溫爐襯和超輕型航天材料等方面獲得潛在應用。而這些領域同樣在中國、歐洲、美國等地獲得了資金支持。

美國帕特森空軍基地實驗室材料科學家Daniel Miracle認為：”我們并不是在談論一種材料，而是上升到如何混合元素的哲學。“

德國波鴻魯爾大學的材料工程師Easo Georg認為并不是所有的混合都能奏效，科學家們仍在研究哪些是有效而哪些不是。他認為”可探索的空間仍然是非常巨大的，而我們目前只看到一小部分宇宙。“

潛力與挑戰并存

近幾年，高熵合金領域得到了快速發展，在2009年張勇報道了一種含鈷、鉻、銅、鐵、鎳、鋁的合金，比純鋁強十四倍，韌性是將近三倍。2011年，葉均蔚報道了鈷、鉻、鐵、鎳、鋁、鈦合金的抗磨性能是普通抗磨鋼的兩倍。2014年，George及其團隊研究的鈷、鉻、鐵、鎂、鎳合金在液氮溫度下也不會變脆。這個材料在低溫設備、天然氣管道和航天器等低溫設備上使用。

就目前而言，高熵合金的研究主要集中于AlFeCuCoNiCrTi_x， AlTiFeNiCuCr_x，AlCoCrCuFeNi_x等系列高熵合金。但是高熵合金的研究卻不僅僅只限于此，元素周期表上的80多種元素讓高熵合金充滿了無限的可能性，但是對于科研工作者而言也意味著充滿了難以想象的挑戰。

但是，科研工作本身就是任重道遠，我們唯有且行且珍惜。

編輯：窗前聽雨