共晶高熵合金：一种革命性的材料体系

共晶高熵合金：一种革命性的材料体系

共晶高熵合金（EHEAs）结合了共晶合金和高熵合金（HEAs）的优点，具有良好的铸造性能和优越的综合力学性能，被视为一种革命性的材料体系。本文对EHEAs进行了全面总结，包括基本理论、微观结构与变形行为以及合金设计方法。由于其独特的性质，EHEAs在材料加工中展现出巨大潜力。此外，本文全面总结了EHEAs在焊接、表面工程和增材制造中的应用。最后，本文还展望了EHEAs未来的发展方向。

研究背景

2004年，Yeh教授提出了高熵合金（HEAs）的概念，其被视为传统合金的突破， HEAs是一种由四种以上主要元素组成的“化学无序”合金，这些元素并不明显地分类为溶质或溶剂。HEAs的四个核心效应被认为是高熵效应、缓慢扩散效应、晶格畸变效应和“鸡尾酒”效应。得益于这四个核心效应，HEAs通常表现出优异的机械性能，然而，随着HEAs研究的深入，发现其在高强度与高延展性之间存在矛盾，这限制了其在材料加工工程中的进一步应用。此外，目前大多数HEAs是通过电弧熔炼制备的。由于HEAs内含有多种金属元素，容易出现流动性差和成分偏析，进而产生结构缺陷。因此，几乎不可能制造出大尺寸的HEA铸锭。总之，力学性能的偏失和铸造缺陷严重阻碍了HEAs的工业应用，因此亟需改进传统HEAs。

共晶高熵合金（EHEAs）作为传统HEAs的突破，被视为理想解决方案。EHEAs通过调节共晶合金中的两相，可以同时获得高强度和良好的延展性。此外，作为共晶合金，相对较低的熔点和不存在液固混合区的特性，从根本上解决了HEAs的铸造性差和偏析严重的问题。当采用共晶合金的设计策略来制造HEAs时，得到的EHEAs同时具备了共晶合金和HEAs的优点，从而促进了其工业应用。作为一种颠覆性的材料体系，EHEAs的研究仍然较为零散，阻碍了其优势的发挥。因此，本文首次全面总结了EHEAs的当前研究状态。第一部分从基本理论、微观结构与变形行为以及合金设计三个方面进行详细阐述。第二部分则从EHEAs在焊接、表面工程、增材制造中的应用而展开。最后，本文展望了EHEAs未来的发展方向。

图文解析

图1. 共晶高熵合金的设计理念：当使用共晶合金的设计策略来制造HEAs时，所得到的EHEAs具有共晶合金和HEAs的优点

图2. 显示不同形态的共晶高熵合金（EHEA）所占比例的饼图：多数EHEA具有片层状和短棒状结构，少数呈现出独特的共晶枝晶形态

图3. AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的变形行为

FCC/B2界面上大量位错的阻塞使AlCoCrFeNi2.1具有较高强度，而高延展性是FCC相位错滑移的结果。

图4. 铸态AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金熔焊接头的微观形貌及性能：

熔化焊接后的EHEAs通常具有共晶微观结构，焊接接头的抗拉强度和耐腐蚀性由于晶粒细化效应而提高。

图5. （A）AlCoCrFeNi2.1/AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金扩散焊接头微观形貌及性能，（B）AlCoCrFeNi2.1/GH4169扩散焊接头微观形貌及性能，（C）AlCoCrFeNi2.1/TiAl扩散焊接头微观形貌及性能：

受到动态再结晶的影响而通常具有更复杂的微观结构；缓慢扩散效应使EHEA接头很少受到高温下晶粒粗化和再结晶的负面影响

图6. Ni1.5CrCoFe0.5Mo0.1Nb0.68 EHEA涂层：（A）微观形貌，（B）凝固过程，（C）性能

由于高能量密度和快速冷却速率，其表面微观结构显著细化，纳米沉淀物重新引入共晶相中，从而提高了EHEAs的硬度和耐磨性。Nb含量对HEA涂层的微观结构有显著影响（当Nb含量达到共晶点时变为EHEA涂层），因此影响其硬度、耐磨性和耐腐蚀性。

图7. （A）SLM-AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的微观形貌及性能，（B）不同体积能量密度的影响，（C）不同初始粉末粒径的影响，（D）激光重熔的影响

由于SLM-EHEAs中获得了非常细小的晶粒，SLM-EHEAs的抗拉强度优于通过直接铸造、冷轧和退火制备的EHEAs。体积能量密度和初始粉末粒径对其微观结构和力学性能有显著影响。

图8. （A）LDED-AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的微观形貌及性能，（B）LMD-AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的微观形貌及性能，（C）L ENS-AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的微观形貌及性能

LDED-EHEAs的共晶微观结构在建造方向上从上到下各异，这可以归因于不同的热条件和元素扩散。LDED-EHEAs同样表现出优良的抗拉和抗压性能。

总结与展望

EHEAs兼具共晶合金和HEAs的优势，具有优良的铸造性能和卓越的综合力学性能，被认为是对传统合金的一次突破。大多数EHEAs由两相组成，由于这两种共晶相在大多数情况下都具有较低的熔融熵，EHEAs通常呈现层状或棒状形态。在加工方面：熔化焊接后的接头性能由于晶粒细化效应而提高。相比之下，固相焊接的EHEAs通常具有更复杂的微观结构；在对块体EHEAs进行表面改性时，其表面微观结构显著细化，纳米沉淀物重新引入共晶相中，从而提高了EHEAs的硬度和耐磨性；增材制造中，SLM-EHEAs中获得了非常细小的晶粒，具有优异的抗拉强度；而由于不同的热条件和元素扩散，LDED-EHEAs的共晶微观结构在建造方向上从上到下各异，其同样表现出优良的力学性能。

目前对EHEAs及其在材料加工工程中的应用的研究仍然相对有限，在全面理解EHEAs及其潜力方面仍有很长的路要走。基于此，EHEAs及其在材料加工工程中的应用还有许多领域等待进一步探索：目前，大多数关于EHEAs的研究集中在AlCoCrFeNi2.1体系上，而对其他EHEA体系的力学性能、变形行为和强化机制的研究相对有限。可以对已公开报道的其他EHEA体系进行深入探索，扩展对不同体系的高温稳定性、辐射损伤抗性、电气和磁性抗性等其他多功能性能方面的研究，结合不同温度和状态下各种EHEA体系的微观结构和性能，以了解EHEAs的共性规律。对于加工工程的应用，可建立加工参数对EHEAs的微观结构的影响关系。通过控制和调节加工参数，可以优化EHEAs的形态和相组成，从而获得最突出的性能。从这个角度出发，建议将材料基因工程与材料加工工程模拟相结合，以深入了解EHEAs成分与加工参数之间的关系，不断扩展EHEAs的适用性和普遍性。以此为大规模生产EHEAs的实用技术提供理论和技术支持。