中国工程院：2021全球工程前沿-高熵合金
高熵合金是近年涌现的由多种元素以等摩尔比或近摩尔比组成的新型多主元金属材料，打破了传统合金的设计理念。具有高强、高硬、高塑性、抗低温脆化、抗高温软化、抗辐照、耐磨等传统合金所不能同时具备的优异性能。在极低温、极高温、辐照、腐蚀等极端 环境条件下展现出巨大的应用潜力。迅速成为国际材料科学领域的研究和开发前沿。高熵合金的出现使得材料研究可以实现从“应用已有材料”到“按需设计材料”范式的转移，通过调控多组元成分实现材料优异性能的组合，有望在一些传统材料性能达到极限而难以突破瓶颈的领域提供关键的高性能材料选择。高熵合金的潜在应用涉及多个领域，包括固态冷却、液化天然气处理、抗核降解材料、高性能航空航天材料和超硬弹道、坚固耐腐蚀的医疗设备、磁共振成像技术和国防军工等关键领域。大尺寸块体高熵合金的成功制备是实现高熵合金在上述关键领域应用的基础。
目前，高熵合金最主要的制备方法可分为机械合金法、涂层沉积法、粉末冶金法、铸造法和增材制造法。机械合金法主要用于制备高熵合金粉末；而涂层沉积法包括激光熔覆沉积和磁控溅射沉积，主要用于制备高熵合金涂层。块体高熵合金制备方法包括基于固相成形的粉末冶金法和基于液相成形的铸造法。粉末冶金法通过固结合粉末可获得均匀的块体高熵合金及其复合材料。但是，粉末冶金制备高熵合金过程中易使合金成分受到污染，内部孔隙难以完全消除，同时其制备形状和大小均受到一定限制。铸造法是制备不同尺寸高熵合金最有效的方法，但由于成分复杂以及不同主元熔点的巨大差异，高熵合金具有较差的流动性和铸造性，其铸锭内部常存在明显的偏析、缩孔、裂纹等铸造缺陷，也使得均质化大尺寸高熵合金难以制备，最大尺寸仅为几公斤级。
目前高熵合金的制备依然局限于实验室规模内，且各制备方法存在较多尚未解决的问题。为了使新兴材料尽快转化为可大规模生产的产品，使其高性能制成品更好地服务于国家重要产业领域，在国际市场取得充分的竞争力，需要加快布局，深入开展高熵合金的制备研究。重点需要关注以下几个方面。
1）铸造法是制备块体高熵合金最为有效的方法，需要进一步提升铸造能力，目前高熵合金铸造大多采用真空电弧熔炼，但其尺寸、形状、均匀性等均受到极大的限制。真空悬浮熔炼法由于其具有污染小、熔炼温度高、成分混合均匀、能制备较大尺寸试样等特点，近期在制备小型均质块体高熵合金上展现出潜力，但需要进一步开发针对不同种类高熵合金的悬浮熔炼技术，解决悬浮熔炼产品的质量问题。
2）高熵合金的增材制造近期也得到了大量研究，高熵合金增材制造在晶粒细化以及构件形状复杂度方面拥有较突出的优势，但在关于其增材制造过程中的缺陷控制及处理工艺方面尚需进行深入研究和完善。
3）此外，近期开发的金属构筑成形技术在大尺寸高熵合金制备上具有显著应用前景，通过构筑优质小尺寸合金坯料可制备均质化的大尺寸高熵合金。目前构筑成形技术在风电、水电、核电等传统材料领域已实现工程化应用，但对于高熵合金的构筑成形技术开发和基础研究尚处于起步阶段，以下几个方面亟待解决：首先，制备均匀化的小型高熵合金坯料；其次，探索高效表面加工清洁方法和构筑成形工艺，研制高熵合金专用表面处理设备；最后，开发针对高熵合金构筑成形的示范工程线。
经过10多年的研究，中国高熵合金的发展较快，专利数量也迅速增长。“大尺寸高熵合金制备技术”核心专利的主要产出国家及机构分别见表2.2.5和表2.2.6，目前中国的核心专利数量最多，其次是韩国和美国。值得注意的是，中国的专利数量虽然多，但平均被引数与美国差距还较大。此外，可以看到核心专利的产出机构主要集中在中国，其中北京理工大学的核心专利产出数量最多。从图2.2.2和图2.2.3可以看到，仅美国和日本之间开展高熵合金制备方面的合作，科研机构之间的合作也很少。
图2.2.2 “大尺寸均质化高熵合金制备技术”工程开发前沿主要国家间的合作网络
图2.2.3 “大尺寸均质化高熵合金制备技术”工程开发前沿主要机构间的合作网络
关于报告
全球工程前沿2021中文版 (Engineering Fronts 2021 Chinese Version)
http://devp-service.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/9047b66293bc4326b15ca9145477fd18/file_1639123755899.pdf
全球工程前沿2021英文版 (Engineering Fronts 2021 English Version)
http://devp-service.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/9047b66293bc4326b15ca9145477fd18/file_1639123738574.pdf
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