材料科学的发展一直伴随着人类文明的发展，其中的金属材料更是对人类历史文明起到了决定性的作用。到目前为止，已经有30 多种实用合金体系应用到了人类生活的各个方面，例如，国民经济支柱钢铁材料，应用仅次于钢的铝合金，实用金属中质量最轻的镁合金等等。20 世纪70 年代开始发展的Ti-Al 等二元的金属间化合物，以及近年非晶合金（金属玻璃）的开发及应用]，这些合金材料的设计都没有挣脱传统合金设计理念的束缚， 即都是以一种（含量一般超过50%）或两种金属元素为主，在此基础上有目的的添加其他元素以达到改善金属性能的目的。同时若合金中添加的其他元素过多，将会导致很多化合物的产生，尤其是金属间化合物，不仅使金属的力学性能变差， 也使合金组织结构的研究分析变得复杂。

但是， 传统的理念禁锢不了人们自由科学的思想。叶均蔚创造性的提出了多主元高熵合金的合金设计新理念，彻底打破了传统的合金设计理念。该理念提出20 年来，很多学者和团队已经参与到对高熵合金的研究中来，并积累了很多研究成果。本文主要综述了近些年来各位学者对高熵合金基础理论的研究成果，包括其定义、组织结构、性能，部分研究成果以及应用前景展望。

1 高熵合金的定义

高熵合金的全称是多主元高混乱度合金， 它至少由5 种（一般不会超过13 种）主要元素（金属或金属与非金属）组成，每种主要元素的原子分数要大于5%且不能超过35%。因此这种合金的性能取决于这些主要元素所组成的基体性能。

之所以称之为高熵合金是因为该种合金具有较高的熵。在热力学中，熵代表一个系统混乱度，系统越混乱，熵值也越大。可通过熵值的变化来判断物质间的反应能否发生，若反应能使熵值增大，则反应能自发进行。忽略一些对系统熵值影响较小的因素，高熵合金混合熵的计算以原子排列产生的混合熵为主。根据波尔兹曼关于熵变与系统混乱度关系的假设，n 种等摩尔元素混合形成的固溶体产生的摩尔熵变为△S=R·ln（n），R 是气体常数，R=8.314J/（k·mol）。因此由2 种和5 种等摩尔元素形成的固溶体所产生的熵变分别为0.693R 和1.61R，以0.693R 和1.61R 为大约界限，可将合金分为以1 种元素为主的低熵合金，有2～4 种主要元素的中熵合金以及有5 种及以上主元素的高熵合金。如图1 所示。

2 高熵合金的组织

根据吉布斯相率，n 种元素的合金系统平衡相的数目p=n+1，非平衡凝固时形成的相数p＞n+1。传统的观点认为，如果合金中添加的其他元素过多，将会导致很多化合物的产生，尤其是金属间化合物，不仅使金属的力学性能变差， 也使合金组织结构的研究分析变得复杂。但现有研究结果表明，高熵合金凝固后的晶体结构为简单的体心立方或面心立方，有时还会形成非晶质， 甚至还会附带一些晶间化合物相，而不会形成大量的金属间化合物，所得合金的相数也远远小于由吉布斯相率计算所得相数。

图2 是等摩尔二元到七元合金的XRD 分析结果。这种情况的出现是高熵效应引起的，由于合金元素种类较多，这些元素所形成的混合熵较大，产生较大的熵变，比形成金属间化合物的熵变还要大。因此由高熵效应可知， 形成脆性金属间化合物的反应将不会发生，而是促进元素间混合，最终形成简单的体心立方或面心立方结构。研究结果也表明，高的混合熵可减小电负性差， 从而起到抑制化合物形成促进元素间混合的作用， 并最终形成了结构简单的固溶体结构。高熵合金结构简单的这一特性，极大方便了对其的研究。

高熵合金微结构的另一个特点是倾向于纳米化， 甚至非晶化。动力学理论可解释高熵合金具有纳米化的倾向。高温液态下的高熵合金，各元素原子之间混乱无序的排列，在冷却凝固过程中，各元素之间的分离过程以及元素的长程扩散过程均非常缓慢，并在重新分配的过程中粒子间相互作用，结果导致成核及长大延迟，最终导致了纳米相的形成。在原子大小差异较大情况下，例如快速凝固、真空镀膜，形成的晶格会产生扭曲， 这会使合金更能展现纳米化、非晶化得倾向。晶体结构的纳米化能增加高熵合金的热学、电化学性能以及物理性能等[9-10]。

如上所述，不同的原子间尺寸差异较大，易引起晶格畸变，这种晶格畸变会对材料的热力学、电学、光学以及化学性能产生很大的影响，例如，晶格畸变会导致固溶硬化、热阻及电阻的增高。此外，经机械加工后，可获得纳米晶粒的高熵合金。

3 高熵合金的性能

高熵合金特殊的组织结构决定了其独一无二的性能。

3.1 高熵合金具有高强度、高硬度

同其他固溶体组织金属一样， 高熵合金也存在强烈的固溶强化效应。当合金凝固结晶时，固溶原子会阻碍位错的移动，因此，形成的固相强度硬度都很高。合金内非晶相的地方，不存在晶界，使滑移运动变得更加困难，因此得到的固相强度更高；同样的道理，高熵合金的中纳米相、第二相也能进一步增强固相的强度。此外， 由于组成元素间原子尺寸的差异，造成晶格畸变，也会阻碍位错运动，也使固相强度增高。如表1 所示， 高熵合金铸态组织硬度为600～900HV， 不亚于碳钢及合金碳钢完全淬火硬化后的硬度。通过改变合金元素的含量，可进一步调整合金的硬度。

3.2 高熵合金具有较高耐磨性

众所周知，材料的耐磨性跟其硬度有关，材料越硬，则耐磨性越高。由上所述，高熵合金具有很高的强度和硬度，因此不难得到，高熵合金也具有较高的耐磨性。

合金元素的变化对高熵合金耐磨性有较大影响，Wu 等研究了AlxCoCxCuFeNi 的粘附磨损行为，发现随Al 含量的增加，体心立方相的数量增加，体心立方相能在提高硬度的同时降低合金的磨损系数，同时磨损转变为氧化磨损。在氧化磨损过程中，表面会产生氧化膜， 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，得到的合金耐磨性显着提高。另外，增加Fe 含量， 合金AlCoCrFeMo0.5Ni 的耐磨性将会降低， 这里耐磨性降低， 同样跟其硬度降低有关系。由上可见，通过适当调整元素种类及含量，使高熵合金的耐磨性能达到最佳。

3.3 高熵合金具有优异的耐腐蚀性

高熵合金具有简单的相结构，同时还可能含有非晶、纳米晶以及具有低自由焓的特点，这些特点决定了其具有较强的耐腐蚀性。对于含有Ti、Cr、Ni 和Cu这些耐腐蚀元素的高熵合金，其中的耐腐蚀元素的耐腐蚀性都能得到充分发挥，这就能保证高熵合金在强酸环境下不被腐蚀。氧化膜不仅能提高耐磨性也能提高耐腐蚀性，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蚀性。合金中的纳米相和非晶相也能有效改善枝晶间的耐蚀性。若合金的纤维组织中存在偏析， 则可能会加剧合金的腐蚀倾向。多种体系高熵合金铸态组织的耐腐蚀性如表1所示。

3.4 高熵合金具有优越的抗回火软化特性

高熵合金的固溶体组织、原子尺寸差异、非晶相及纳米相的特性存在决定了其具有较高的强硬度，高温回火不仅不能改变其组织与原子尺寸， 而且还有可能析出更多的纳米颗粒与非晶相， 使高熵合金仍具有很高甚至更高的强硬度。因此，高熵合金在回火后不仅没有软化， 反而会具有更高的强硬度。例如， 上述合金在1000℃的高温环境下进行退火，保温时间为12h，然后炉冷至室温，测量其硬度发现基本没有变化，有时甚至出现析出硬化的现象。相比之下，碳钢及耐高温高速钢（仅高达550℃）均做不到这一点，同时也比其他有色合金表现的好。

另外，软磁特性及高电阻率也是高熵合金的显着特点。含有Al 和Cr 的高熵合金还具有高达1100℃的优异抗氧化性[15]。高熵合金性能优异，没有哪种传统合金能同时具备这么多优异的性能。

4 高熵合金的应用

高熵合金优异的性能特点决定了其广阔的应用空间。

（1） 传统的高速钢在获得高硬度的同时容易失去塑韧性，因此作为刀具时往往出现折断。

（2） 高熵合金能够同时具备多种优异性能，而普通钢很难做到这一点， 因此高熵合金可用于制造对材料要求较高的工具、模具。现在，在生产塑料模和挤压模的过程中， 普通模具钢正在被高熵合金慢慢替代。

（3） 由上述性能的介绍易知高熵合金具有很好的耐高温性能和较高的抗压强度， 可用作焊接材料及高温炉材料，也可用作超高大楼的耐火骨架、微电机材料。

（4） 优异的耐蚀性可使高熵合金在易产生腐蚀的环境下工作，例如可应用到化学工厂、航海船舶的建设及生产中。在兼顾高硬度、高耐磨性的同时高熵合金还具有较低的弹性模量， 使高熵合金非常适合制作高尔夫球头打击面、钢管及辊压筒的硬面。如果用喷涂溅渡或铸造包套法等类似的成型方法， 就可制作很多构件的硬面。

（5） 软磁性及高电阻率也是高熵合金的特点之一， 因此高熵合金在高频通讯器件方面有很大的应用潜力。同时也可替代其他材料用以制作高频变压器、磁光碟和高频软磁薄膜等。

（6） 除此之外， 在很多其他领域， 例如电热材料、除氢材料、IC 扩散阻绝层等工业领域，高熵合金也拥有广阔的发展前景，见图3。

5 高熵合金的发展前景

众所周知， 高熵合金与大块金属玻璃和橡胶金属被认为是最近几十年来合金化理论的三大突破[11]，是一个可合成、分析和控制的合金新世界，可开发出大量的高科技材料。高熵合金独特的组织结构以及优异的综合性能，引起了国内外广大学者的研究热潮。叶均蔚研究组，张勇研究团队，赵明研究小组以及K.B.Kim 等人， 都已经展开了对某些具体高熵合金的具体性质或制备方法的研究， 并取得了一定成果。

有理由相信，在不久的将来，稳定、可靠、具有工业生产价值的高熵合金将在各个领域出现。