多主元素合金（MPEAs）和高熵合金（HEAs）的首次成果出現(xiàn)在同一年,。在1970年代后期,，MPEAs的最初是本科畢業(yè)論文，隨后于1998年又開設(shè)了另一個(gè)本科項(xiàng)目,，最后,，在2002年的一次會(huì)議上發(fā)布。在1996年,，HEA內(nèi)容發(fā)表了一系列論文,，隨后又出版了5篇文章。最后,，“高熵合金”和“多主元素合金”術(shù)語(yǔ)統(tǒng)一為MPEAs,。

除了這些出版物之外，還有三項(xiàng)研究也值得說(shuō)一說(shuō),。第一篇論文報(bào)告了相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的達(dá)7種金屬元素混合物的基本性質(zhì)（硬度,，密度等）。從11種不同元素中抽取出900多種合金,。第二篇論文將MPEA概念應(yīng)用于金屬玻璃,。該論文使用已知金屬玻璃合金中化學(xué)相似元素的等摩爾取代。這是第一本介紹MPEAs提供的廣泛組合空間概念的作品,。這也是第一次關(guān)于該主題的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的出版論文,。第三篇是2003年發(fā)表的沒有給出任何結(jié)果，但提供了對(duì)HEA概念的雄辯和令人回味的介紹,。這些概念當(dāng)時(shí)正在出版,，并于次年初出版，這對(duì)HEA領(lǐng)域也很重要,。

1.1 高熵合金的定義

（1）成分定義

最早的論文將HEAs定義為“由等摩爾比的五個(gè)或更多元素組成的合金”,。等摩爾濃度的要求是“每個(gè)元素的濃度在5-35.％之間元素?！币虼?，HEAs不必是等摩爾的，這顯著增加高熵合金的數(shù)量,。HEA還可能包含微量元素,，以改善HEA的屬性，擴(kuò)展HEA的數(shù)量,。這種組合物僅規(guī)定了元素濃度,，對(duì)熵的大小沒有限制。

（2）高熵定義

“高熵”是基于熵值的大小定義,。因此,，定義低等（SSS,，理想<0.69r，其中sss理想值是理想ss中的總配置摩爾熵,，r是氣體常數(shù)）,，中等（0.69r><><1.61r）和高等（sss，理想> 1.61R）熵合金,。玻爾茲曼方程給出了一種用理想合金成分,，估算SSS的簡(jiǎn)單方法。但是它要求原子占據(jù)隨機(jī)晶格位置,，這在金屬溶液中很少；它還定義合金具有單一的熵值,，實(shí)際上合金的熵值會(huì)隨溫度變化,。為了解決這些問題，基于合金的熵的定義可以由“液體溶液和高溫固溶體狀態(tài)表示,，其中熱能足夠高以使不同元素在結(jié)構(gòu)內(nèi)具有隨機(jī)位置”,。然而，即使二元金屬液體,，在熔化溫度下通常也沒有隨機(jī)原子位置,。因此熵值分類的依據(jù)還有一些問題。

1.2 高熵合金的四個(gè)核心效應(yīng)

（1）高熵效應(yīng)

高熵效應(yīng)是HEA的標(biāo)志性概念,。比較理想的形成熵與純金屬的焓（選定IM化合物的形成焓）可以得知,，在具有5個(gè)或更多元素的近等摩爾合金中，其更有利于形成SS相而不是IM化合物,。這時(shí)不考慮特殊組合,，僅熵和焓的高低來(lái)分析常規(guī)的SS相和IM相。熵值也只考慮生成熵,。雖然振動(dòng),、電子和磁性也影響其熵值，但是最主要的因素仍然是合金的結(jié)構(gòu),。

（2）晶格畸變

嚴(yán)重的晶格畸變是因?yàn)楦哽叵嘀械牟煌映叽鐚?dǎo)致的,。每個(gè)晶格位置的位移，取決于占據(jù)該位置的原子和局部環(huán)境中的原子類型,。這些畸變比傳統(tǒng)合金嚴(yán)重的多,。這些變?cè)游恢玫牟淮_定性導(dǎo)致合金的形成焓較高。雖然在物理上,，這可以降低X射線衍射峰的強(qiáng)度,，增加硬度，降低電導(dǎo)率,，降低合金的溫度依賴性,。但是,，仍然缺少系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)來(lái)定量描述這些性能的變化值是多少。例如,，組成原子之間的剪切模量不匹配,，也可能有助于硬化；局部鍵的變化也可能改變電導(dǎo)率,、熱導(dǎo)率和相關(guān)的電子結(jié)構(gòu),。

（3）緩慢的擴(kuò)散特點(diǎn)

在HEAs中，擴(kuò)散是緩慢的,。這可以在納米晶和非晶合金的形成和其顯微結(jié)構(gòu)中觀察到,。

（4）“雞尾酒”效應(yīng)

首次“雞尾酒”效應(yīng)是S. Ranganathan教授使用的短語(yǔ)。最初的意圖是“一種愉快,，愉快的混合物”,。后來(lái)，它意味著一種協(xié)同混合物,，最終結(jié)果是不可預(yù)測(cè),，且大于各部分的總和。這個(gè)短語(yǔ)描述了三種不同的合金類別：大塊金屬玻璃,、超彈性和超塑性金屬以及HEAs,。這些合金都是多主元素合金?！半u尾酒”效應(yīng)表征了無(wú)定形大塊金屬玻璃的結(jié)構(gòu)和功能特性,。

與其他“核心效應(yīng)”不同，“雞尾酒”效應(yīng)不是假設(shè),，也不需要證明,。“雞尾酒效應(yīng)”的意思是特殊的材料特性,，通常源于意想不到的協(xié)同作用,。其他材料也可以這樣描述，包括物理性質(zhì),，例如接近零的熱膨脹系數(shù)或催化響應(yīng),；功能特性，如熱電響應(yīng)或光電轉(zhuǎn)換,、有超高強(qiáng)度,，良好的斷裂韌性；抗疲勞性或延展性等結(jié)構(gòu)特性,。這時(shí)材料的性質(zhì)主要依賴材料成分,，微觀結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)和其他特征,?！半u尾酒”效應(yīng)揭示MPEAs的多元素組成和特殊的微觀結(jié)構(gòu),，進(jìn)而產(chǎn)生非線性的意外結(jié)果。

2.1 固溶體的熵和焓

固溶體（SS）相的吉布斯能表示為G^ss=H^ss-T（S^ss）,。在理想熔液中H^SS=0，但是實(shí)際上H^SS通常含有較小的值,。當(dāng)H^SS> 0時(shí),，非隨機(jī)分布的原子呈現(xiàn)相分離的趨勢(shì)；當(dāng)H^SS<>

HEA合金中最穩(wěn)定的溶液出現(xiàn)在等摩爾組分中,，但對(duì)于亞常規(guī)溶液來(lái)說(shuō)卻不一定,。考慮常規(guī)（圖1a）和亞常規(guī)（圖1b）固溶體的代表性熱力學(xué)函數(shù),。圖1a中最穩(wěn)定的組合物是等摩爾組合物,，但在圖1b中它是x_B = 0.55。H^SS曲線中的不對(duì)稱程度較小,，也更明顯。分析表明H^SS中的最小值,，可以出現(xiàn)在x_B = 0.50±0.10范圍內(nèi),。 由于亞常規(guī)溶液最常見的，因此最穩(wěn)定的固體溶液通?？蓮牡饶柦M合物中置換出來(lái),。

圖1 （a）700 K時(shí)，Co-Ni合金在常規(guī)熔液的熵,、焓和吉布斯能量圖,；（b）700 K時(shí)，Ce-Ni合金在亞常規(guī)熔液的熵,、焓和吉布斯能量圖,。

2.2 金屬間相的熵和焓

金屬間相（IM）的吉布斯能G^IM=H^IM-TS^IM，其中H^IM和S^IM是IM相的摩爾生成焓和熵,。SS和IM相的結(jié)構(gòu)不同,，因此相同成分和結(jié)構(gòu)的熵值也是不同。圖2是SS和IM晶體結(jié)構(gòu)示意圖,。由圖2可知,，IM相的熵值很小，每個(gè)晶格只有一個(gè)元素,，但是多主元合金的一個(gè)晶格位點(diǎn),，通常是多種元素隨機(jī)分布，顯著增加了熵值,。

圖2 （a）二元有序晶體示意圖,；（b）多主元晶體示意圖,。

3.1 高熵合金的主要元素

本文統(tǒng)計(jì)了480種合金,，使用了37種元素,，如圖3所示。包括1種堿金屬（Li）,；2種堿土金屬（Be,，Mg）；22種過(guò)渡金屬（Ag,，Au,，Co，Cr,，Cu,，F(xiàn)e，Hf,，Mn,，Mo，Nb,，Ni,，Pd，Rh,，Ru,，Sc，Ta,，Ti,，V，W,，Y,，Zn，Zr）,；2種基本金屬（Al,，Sn）；6種鑭系元素（Dy,，Gd,，Lu，Nd,，Tb,，Tm）；3種類金屬（B，Ge,，Si）和1種非金屬（C）,。Al，Co,，Cr,，Cu，F(xiàn)e,，Mn,，Ni和Ti這幾種元素出現(xiàn)在100多種合金中，其中四種元素（Co,，Cr,，F(xiàn)e，Ni）各在高熵合金中的比例高達(dá)70％以上,。另外,，難熔元素（Mo，Nb,，V,，Zr）在高熵合金中也屬于常見元素。本文中的高熵合金平均含有5.6種元素,。

圖3 多主元合金（MPEAs）中408元素的使用頻率圖,。

3.2 高熵合金的體系

本文中統(tǒng)計(jì)的408種MPEAs可分為7個(gè)合金系列，如圖4所示,。包括3d過(guò)渡金屬CCA，難熔金屬CCA,，輕金屬CCA,，鑭系元素（4f）過(guò)渡金屬CCA，CCA黃銅和青銅,，貴金屬CCA和間隙化合物（硼化物,，碳化物和氮化物）CCA。

圖4 7個(gè)合金系列中的組成元素圖

4.1 相的定義和分類

沒有晶體結(jié)構(gòu)的相稱為非晶態(tài)或玻璃態(tài),。盡管原子在無(wú)定形結(jié)構(gòu)中是無(wú)序的，但在本工作中它并不被稱為無(wú)序,，以避免與無(wú)序的結(jié)晶固溶體相混淆,。具有兩個(gè)或更多化學(xué)上不同的亞晶格，具有化學(xué)LRO相定義為有序或金屬間（IM）或化合物,。在這項(xiàng)工作中,，LRO僅涉及子晶格上的化學(xué)排序，而不涉及平移和/或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。IM相由A_xB_y表示,，也由Strukturbericht表示,，Pearson符號(hào)或通用名稱（如Laves或sigma）和原型化合物。具有單晶格的合金元素的相描述為無(wú)序固溶體（SS）,。SS相中可能存在或不存在SRO,。SS相通過(guò)原子填充方案（FCC，BCC,，HCP）或Strukturbericht描述更復(fù)雜的結(jié)構(gòu),。簡(jiǎn)單相和復(fù)雜相的區(qū)別僅限于晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)性能沒有任何影響,。

最近,，對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的分類方法與上述相同。具有一種或多種無(wú)序固溶體的微結(jié)構(gòu)稱為SS微結(jié)構(gòu)或合金,；具有一一種或多種金屬間相的微結(jié)構(gòu)稱為IM微結(jié)構(gòu)或合金,；具有無(wú)序固溶體和金屬間相混合物的微觀結(jié)構(gòu)稱為（SS + IM）微結(jié)構(gòu)或合金。CCA不限于SS相或單相微結(jié)構(gòu),，可以具有任何含量的SS或IM相,，或SS和IM相的混合物。另一類HEAs-金屬玻璃-具有亞穩(wěn)態(tài)非晶結(jié)構(gòu),，可通過(guò)快速凝固或機(jī)械合金化獲得,。

4.2 相的觀察

本文統(tǒng)計(jì)了23種結(jié)晶相。晶體結(jié)構(gòu)主要通過(guò)Strukturbericht表示法列出,。例如：A1結(jié)構(gòu)（Pearson符號(hào)cF4,，Cu原型），列為FCC,；A2結(jié)構(gòu)（Pearson符號(hào)cI2,，W原型），標(biāo)記為BCC,；A3結(jié)構(gòu)（Pearson符號(hào)hP2,，Mg原型），以HCP給出,；σ用于表示D8b晶體結(jié)構(gòu)（Pearson符號(hào)tP30,，σ-CrFe原型）。CCA晶體結(jié)構(gòu)：A5（tI4,，β-Sn）,；A9（hP4，石墨）,；A12（cI58,，α-Mn）；B2（cP2，ClCs,，AlNi）,；C14（六角Laves相）（hP12，MgZn₂,，Fe₂Ti）,；C15（立方Laves相）（cF24，Cu₂Mg）,；C16（tI12,，Al₂Cu）；D0₂（cF16,，BiF₃,，Li₂MgSn）；DO11（oP16,，Ni₃Si）,；D022（tI8，Al₃Ti）,；D0₂₄（hP16,，Ni₃Ti）,；D2_b（tI26,，Mn₁₂Th，AlFe₃Zr）,；D8₅（hR13,，F(xiàn)e₇W₆,，Co-Mo和Fe-Mo）；D8_m（tI32,，W₅Si₃,，Mo₅Si₃）；E9₃（cF96,，F(xiàn)e₃W₃C，Fe-Ti）,；L1₀（tP2,，AuCu）；L1₂（cP4,，AuCu₃）,；和L2₁（Heusler）（cF16，AlCu₂Mn）,。其中,，NiTi2（cF96）找不到Strukturbericht表示法。至少一個(gè)超晶格峰未確定的相被列為IM，并且未識(shí)別的相被列為Unk（未知）,。該列表包括6種無(wú)序晶體結(jié)構(gòu)（BCC FCC,，HCP，A5,，A9,，A12）。

到目前為止,，最常見的相是無(wú)序FCC（在410種合金出現(xiàn)465次）和BCC（在306種合金中出現(xiàn)357次）,，其次是有序的IM相B2（在175種合金中發(fā)生177次），σ（在60種合金中出現(xiàn)60次）和六角形Laves相C14（在50種合金中出現(xiàn)50次）,，如圖5所示,。HCP相僅出現(xiàn)在7種合金中。通過(guò)BCC,，F(xiàn)CC或HCP相出現(xiàn)的次數(shù),，F(xiàn)CC相在微結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的總次數(shù)為56％。BCC階段略不常見（43％）,，HCP階段占BCC,，F(xiàn)CC或HCP階段報(bào)告次數(shù)的1％。7個(gè)HCP相中有6個(gè)屬于三個(gè)不同的合金系列（輕金屬,，4f過(guò)渡金屬和“其他”CCA）,。這些合金系列之間沒有共同的元素，這表明仍有很多機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)具有HCP晶體結(jié)構(gòu)的新CCA,。

圖5 微觀結(jié)構(gòu)的648種相出現(xiàn)次數(shù)的柱狀圖,。

4.3 相的計(jì)算

雖然有許多方法用來(lái)計(jì)算SS相，但是應(yīng)用最多的還是經(jīng)驗(yàn)方法,。本文分析了經(jīng)驗(yàn)方法,、熱力學(xué)模型和原子方法對(duì)SS相的預(yù)測(cè)。

（1）經(jīng)驗(yàn)方法

Hume-Rothery規(guī)則計(jì)算SS相的形成時(shí),，需要考慮的因素有原子尺寸（δr）,、晶體結(jié)構(gòu)、電負(fù)性（δr）,、電子濃度（VCE）和化合價(jià),，及熱力學(xué)條件：混合焓（H^SS）、混合熵（S^SS）和熔化溫度（T_m）,。其計(jì)算公式如下：

其中,，r_i、χ_i,、VEC_i和T_m,i分別是原子半徑,、電負(fù)性,、價(jià)電子濃度和元素i的熔點(diǎn)；c_i和c_j是原子i和j的原子百分比,；r(-) = ∑c_ir_i 和χ(-) = ∑c_iχ_i是平均原子半徑和平均電負(fù)性,；H_ij是在常規(guī)二元溶液中等摩爾濃度下元素i和j的混合焓。

預(yù)測(cè)HEA中SS或IM相的大多數(shù)經(jīng)驗(yàn)方法,，使用δr和H^SS或Ω,。原子尺寸不匹配和H^SS是無(wú)定形（AM）合金的眾所周知的經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。這些參數(shù)將HEA中的SS和AM相分開,，但I(xiàn)M相與這兩個(gè)場(chǎng)重疊,，如圖6所示。后來(lái)嘗試結(jié)合H^SS,，S^SS和T_m,，分離SS和IM相。這項(xiàng)結(jié)果略好于δr與H^SS的相關(guān)性,，但仍然可以看到重疊（圖6b）,。能夠分離SS和AM相使因?yàn)樗鼈儗儆诘臒o(wú)序溶液相。

圖6 分離SS,、IM,、（SS+IM）和非晶（AM）相區(qū)的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性：（a）δr與H^SS的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性；（b）δr與Ω的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性圖,。

（2）熱力學(xué)模型

雖然在不考慮IM相的吉布斯能量時(shí),，可以通過(guò)合金元素?cái)?shù)量和濃度建立方程，獲得吉布斯能量,。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單,。但是通過(guò)形成熵和金屬間相形成焓之間，建模能夠區(qū)分單相SS合金和包含IM相的合金,。另一種思路是獲得多組分的合金相圖,。目前最可靠的方法是CALPHAD。通過(guò)CALDPHAD計(jì)算生成的含有3-6種元素的130000多種不同等摩爾合金的相圖,，用來(lái)分析相結(jié)構(gòu),。分析表明，隨著合金成分?jǐn)?shù)N的增加,，形成SS合金的可能性降低,。對(duì)于最可靠的計(jì)算（f_AB = 1），在T_m和600℃下,，對(duì)于任何f_AB值的計(jì)算都發(fā)現(xiàn)了相同的趨勢(shì)。在CALPHAD計(jì)算中,，未統(tǒng)一使用元素,，因?yàn)槟承┰卦跓崃W(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)中比其他元素更多,。例如，Al和Cr在每個(gè)使用的數(shù)據(jù)庫(kù)中,；除了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)外,，F(xiàn)e，Mo,，Si,，Ti和Zr也都在；除了2個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)之外,，Ni和Ni都在,。元素Dy，Gd,，Lu,，Rh，Ru,，Sc,，Tm和Y各自僅出現(xiàn)在1或2個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中。這種偏差在f_AB = 1數(shù)據(jù)集中被放大,，因?yàn)闊崃W(xué)描述通常僅適用于更常用的元素,。圖7中的CALPHAD數(shù)據(jù)集，顯示了使用每種元素的計(jì)算合金的百分比,。實(shí)驗(yàn)合金中元素用量的偏差更大,。由于這些偏差，計(jì)算的BCC,，F(xiàn)CC和HCP相,，對(duì)于兩個(gè)公開的CALPHAD是不同的。計(jì)算的BCC,，F(xiàn)CC和HCP相的頻率,，作為計(jì)算數(shù)據(jù)集中BCC，F(xiàn)CC和HCP相總百分比,，對(duì)于f_AB是BCC（65％）,，F(xiàn)CC（29％）和HCP（6％） = 1并且對(duì)于f_AB =全部是BCC（62％），F(xiàn)CC（12％）和HCP（26％）,。

圖7 在實(shí)驗(yàn)和兩個(gè)CALPHAD中元素的使用頻率圖,。

5.1 高熵合金的功能性

在Al_xCoCrFeNi（0≤x≤2）和Al_xCrFe_1.5MnNi_0.5Mo_y（x = 0.3,，0.5,，y = 0，0.1）合金體系中,，在1273 K下,，對(duì)合金退火,、水淬和鑄態(tài)條件下的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究。在293-573 K時(shí),，合金的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率值隨著溫度的增加而增加,，分別在10-27 Wm^-1K^-1和2.8-3.5 mm^-2s^-1的范圍內(nèi)。這些值低于純金屬,，但接近合金鋼和超鎳合金,。這現(xiàn)象與純金屬相反，與不銹鋼相似,。單相FCC合金（低Al含量）幾乎是單相BCC合金（高Al含量）的導(dǎo)熱率一半,。在單相區(qū)域內(nèi)，熱導(dǎo)率隨著Al含量的增加而降低,。這些行為是因?yàn)榫Ц窕兒透邷叵戮Ц駸崤蛎泴?dǎo)致,。

Al_xCoCrFeNi合金的電阻率通常為100-200 μΩ-cm（0≤x≤2）。這些合金中的電阻率隨溫度呈線性增加,。合金結(jié)構(gòu)隨著Al含量的提高,，從FCC轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC + FCC，再轉(zhuǎn)到BCC,，導(dǎo)致電阻率的呈現(xiàn)非線性變化,。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明BCC和FCC相的電阻率符合線性關(guān)系ρ_BCC= 107 + 1.43（C_A1）；ρ_FCC= 107 + 5.50（C_A1）,；其中c_Al是各相中的Al濃度,，單位為％；如圖8所示,。在相同組成下,，F(xiàn)CC相的電阻率高于BCC相的電阻率，兩相場(chǎng)中的電阻率遵循BCC和FCC相的體積分?jǐn)?shù)的線性平均值,。

圖8 在400 K時(shí),，Al_xCoCrFeNi合金的電阻率隨Al含量的變化圖。

幾乎所有的磁性合金（CCAs）都含有Co,，F(xiàn)e和Ni,。CoFeNi是一種具有FCC晶體結(jié)構(gòu)的單相SS合金，具有鐵磁性,，飽和磁化強(qiáng)度（M_s）為151 emu/g,。純Fe的M_s為218 emu/g，純Ni的M_s為55 emu/g,。FCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為FCC+BCC/B2,，在Al_xCoFeNi中添加Al，或在CoFeNiSi_x中添加到FCC+硅化物。所有合金都是鐵磁性的,，當(dāng)Al從x = 0增加到1時(shí),，M_s減小到102 emu/g，或者當(dāng)Si從x = 0增加到0.75時(shí),，M_s減小到80.5 emu/g。磁致伸縮效應(yīng)非常小,，這對(duì)于確保材料在外部磁場(chǎng)中不受應(yīng)力是必要的,。在（AlSi）_xCoFeNi（0≤x≤0.8）中加入Al和Si，x = 0.2時(shí)的性能得到M_s,，矯頑力,，電阻率，屈服強(qiáng)度和無(wú)斷裂應(yīng)變,，使合金成為有吸引力的軟磁材料,。在均質(zhì)Al_xCoCrFeNi（0≤x≤2）合金中向CoFeNi中添加Al和Cr，在5 K和50 K時(shí)具有鐵磁性,，但由于合金相的變化,，在300 K時(shí)具有順磁性。

5.2 高熵合金的擴(kuò)散性能

緩慢擴(kuò)散是高熵合金（HEA）“核心效應(yīng)”之一,。Al_xCoCrCuFeNi合金在鑄態(tài)時(shí)形成納米晶,，退火后納米晶體發(fā)生緩慢擴(kuò)散。但是,，Al_0.5CoCrCuFeNi合金爐冷后,，卻沒有低溫相的形成。目前,，AlMoNbSiTaTiVZr是比TaN/TiN（或Ru/TaN）更好的擴(kuò)散阻擋層,。這是兩種擴(kuò)散假說(shuō)。在這些研究中,，HEA都含有1至5種難熔金屬,，每種金屬的T_m> 2100 K，熱暴露時(shí),，處于相當(dāng)?shù)偷臏囟群投虝r(shí)間（<>_m）85％的溫度下,，納米尺寸的沉淀物在超合金中能夠存在數(shù)十或數(shù)百小時(shí)。雖然上面引用的間接觀察結(jié)果與慢動(dòng)力學(xué)一致,，但與傳統(tǒng)合金相比,，HEAs合金中的擴(kuò)散速度更慢。

復(fù)雜性使擴(kuò)散測(cè)量變得困難,。實(shí)驗(yàn)獲得的MPEAs擴(kuò)散數(shù)據(jù),，如圖9所示。在相同溫度下,，CoCrFeMn_0.5Ni中的擴(kuò)散系數(shù)高于傳統(tǒng)合金,。例如,，Ni（DNi）在CoCrFeMn_0.5Ni，F(xiàn)e-15Cr-20Ni不銹鋼中的擴(kuò)散系數(shù)和純鐵在1173 K分別為14.3×10^-18 m²/s,，6.56×10^-18 m²/s和3.12×10^-18 m²/s,，在1323 K（最高測(cè)量溫度）為5.74×10^-16 m²/s，分別為2.15×10^-16 m²/s和1.2×10^-16 m²/s,。到873 K,，其中擴(kuò)散通常被認(rèn)為是阻止的，這些材料的DNi分別為2.0×10^-22m²/s,，1.7×10^-22 m²/s和0.49×10^-22 m²/s,。表明，在相同873-1323 K溫度下,，CoCrFeMn_0.5Ni合金中的DNi高于奧氏體鋼和純金屬,。

圖9 在FCC不銹鋼合金和CoCrFeMn_0.5Ni合金中，Ni（DNi）的擴(kuò)散系數(shù)：（a）反向溫度函數(shù)的擴(kuò)散系數(shù),，（b）反向通過(guò)主體合金熔點(diǎn)的擴(kuò)散系數(shù)歸一化圖,。

5.3 高熵合金的機(jī)械性能

機(jī)械性能很大程度上取決于合金的成分和微觀結(jié)構(gòu)。原子的彈性相互作用,，影響合金中的錯(cuò)位行為,。合金的相和相體積分?jǐn)?shù)，決定合金的性能,。在固定的組成和相含量下,，也可以通過(guò)改變相的尺寸，形狀和分布,，改善性能,。缺陷也在機(jī)械性能中起主要作用。原子級(jí)缺陷主要有空位,，位錯(cuò)和晶界,，微觀或宏觀缺陷包括孔隙，化學(xué)偏析,，裂縫和殘余應(yīng)力,。

3d過(guò)渡金屬M(fèi)PEAs的硬度研究發(fā)現(xiàn)，Al_xCoCrCuFeNi合金從單相FCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC + FCC,，再轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗郆CC,，其硬度隨Al含量的增加而增加。在鑄態(tài)和均質(zhì)條件下,，Al_xCoCrFeNi合金表現(xiàn)出類似的性能,。單相FCC合金的維氏硬度在100-200 Hv之間，單相BCC合金的硬度> 600Hv，BCC + FCC合金的硬度值隨著BCC含量的增加,。透射電子顯微鏡（TEM）研究表明,，A_lxCoCrCuFeNi合金為有BCC和B2相的混合結(jié)構(gòu)。BCC和B2相之間的高密度界面,，有助于提高含Al合金的硬度,。據(jù)報(bào)道，硬度隨著BCC + B2相體積分?jǐn)?shù)的增加而增加,。

3d過(guò)渡金屬M(fèi)PEAs的壓縮試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),，幾乎所有的合金都包括CoCrFeNi，且添加少量的Mo,，Nd，Si,，V,，Y，Zn和Zr,。壓縮樣品通常通過(guò)鑄造或粉末冶金獲得,。其微觀結(jié)構(gòu)顯示出樹枝狀，即使在退火后,，合金仍具有1-2％的孔隙率,。BCC和FCC相的微觀結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位。在BCC和/或B2相的合金中,，壓縮屈服強(qiáng)度較高,，在1300-2400 MPa的壓力范圍內(nèi)，可高達(dá)3300 MPa,。但是,，延展性通常低于10％，這是結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際最小值,。

3d過(guò)渡金屬M(fèi)PEAs的拉伸試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),，常見的CoCrFeMnNi合金的晶粒尺寸和應(yīng)變率是影響拉伸性能的主要因素。CoCrFeMnNi合金微觀結(jié)構(gòu)是單相FCC固溶體,，富含Cr或富Mn的第二相顆粒,，通常含有退火孿晶。隨著溫度的升高,，屈服強(qiáng)度（σ_y）和最終（σ_uts）強(qiáng)度都會(huì)持續(xù)下降,，如圖10所示。在77-300 K時(shí),，強(qiáng)度下降最快,，在300-800 K時(shí)，強(qiáng)度下降緩慢。在高溫度下,，這種現(xiàn)象效果更明顯,。在900 K時(shí)，拉伸延展性ε⁷隨著溫度降低增加,。

圖10 3d過(guò)渡金屬CCA的拉伸數(shù)據(jù)：（a）屈服強(qiáng)度σ_y,，（b）極限強(qiáng)度σ_ut，（c）拉伸延展性ε,。（d）ln（σ_y）對(duì)1000/T說(shuō)明延伸率圖,。

難混溶合金CCA的研究沒有MPEAs那么成熟，如圖11所示,。難混溶CCA合金研究的目的是延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)金屬的使用溫度,。圖11顯示了普通超合金的σ_y，以實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)金屬的使用溫度,。Haynes?230?（Co₄Cr₂₇Fe₃Mo₁Ni₆₀W₅）是用于靜電板件的SS合金,，INCONEL?718（（Al，Nb,，Ti）₅Co₁Cr₂₁Fe₁₉Mo₂Ni₅₂）是沉淀強(qiáng)化合金,，廣泛用于燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)的旋轉(zhuǎn)盤，MAR-M247?（Al₁₂Co₁₀Cr₁₀Hf₁Ni₆₂Ta₁Ti₁W₃）用于渦輪葉片,。但是難混溶CCA長(zhǎng)處于壓縮態(tài),，而超合金處于拉伸狀態(tài)，所以難混溶CCA和超合金之間的僅強(qiáng)度直接比較是不合適的,。此外,，高溫合金滿足高溫應(yīng)用的廣泛要求，包括拉伸延展性,，斷裂韌性,，抗氧化性，蠕變強(qiáng)度,，疲勞強(qiáng)度和可加工性,。這些其他特性尚未在耐火CCA中得到證實(shí)，卻是未來(lái)的研究方向,。

圖11 （a）壓縮實(shí)驗(yàn)中,，屈服強(qiáng)度σ_y的溫度依賴性圖，（b）難混溶CCA的合金密度ρ與σ_y的標(biāo)準(zhǔn)化圖,。

6.1 高熵合金的結(jié)構(gòu)應(yīng)用

3d過(guò)渡金屬CCA與商用不銹鋼及鎳合金之間的存在成分重疊。盡管許多商業(yè)合金不滿足HEA定義,，但它們?nèi)匀缓?種或更多主要元素體現(xiàn)了CCA的性能,。這支持了傳統(tǒng)合金是3d過(guò)渡金屬M(fèi)PEAs的結(jié)論,，為3d過(guò)渡金屬CCA的應(yīng)用提供了新視角。通過(guò)了解CCA金屬與商業(yè)合金性能的差距,，可以找到機(jī)會(huì)改變這類合金性能,。FCC單相固溶體（SS）相場(chǎng)的范圍比奧氏體鎳和不銹鋼更寬。MPEA還可以從商業(yè)合金中學(xué)習(xí),，關(guān)于非等摩爾組合物的影響,，例如：微量合金添加劑如C，N,，Si,，Mo，Nb和Ta對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響,，以及變形加工的作用,。

難熔金屬CCA可以設(shè)計(jì)為超鎳合金。目前,，雖然難熔金屬CCA的應(yīng)用研究較少,，但是以實(shí)現(xiàn)輕載靜電部件，例如：熱保護(hù)板,、渦輪葉片和盤。難熔金屬CCA具有操作應(yīng)力和溫度的潛能,。但是沒有可拉伸性能驗(yàn)證,，且還有許多性能需要測(cè)試。

6.2 高熵合金的功能性應(yīng)用

MPEA合金的功能性研究遠(yuǎn)少于結(jié)構(gòu)性能,。目前CCA的功能性應(yīng)用,，包括MPEA氮化物和硼化物或者貴金屬CCA。MPEA氮化物和硼化物的應(yīng)用方向是耐磨涂層和擴(kuò)展阻擋層,。目前,，關(guān)于耐磨涂層和擴(kuò)展阻擋層的性能研究還不完善。MPEA合金的合成元素具有獨(dú)特?zé)?、電和磁學(xué)性能,，這為開發(fā)其功能性應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。貴金屬CCA的催化性能,，例如：催化轉(zhuǎn)換器,、水分解、燃料電池陽(yáng)極催化,、牙科合金和記憶存儲(chǔ)設(shè)備等,。

高熵合金的種類繁多,，其顯微結(jié)構(gòu)和性能具有很高的研究?jī)r(jià)值,。高熵效應(yīng)是調(diào)控其顯微組織和結(jié)構(gòu)的主要因素,。目前這一領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)從3d過(guò)渡金屬M(fèi)PEAs，發(fā)展到了7個(gè)合金系列,。每個(gè)合金系列包括6-7元素,，已經(jīng)產(chǎn)生了超過(guò)408種新合金。在這408種合金中含有648種不同的微觀結(jié)構(gòu),。研究發(fā)現(xiàn),，合金元素?cái)?shù)量和加工條件對(duì)其顯微結(jié)構(gòu)有顯著的影響。不同結(jié)構(gòu)的高熵合金,，呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)性能和功能特點(diǎn),。雖然高熵合金的性能研究，仍處于起步階段,，但是其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和廣泛合金種類,，為其結(jié)構(gòu)化應(yīng)用和功能化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。