原标题：【封面文章】 上海大学/重庆大学李谦教授和中南大学张利军教授团队发表JMST重要综述：轻质难熔高熵合金

　　近年来，高熵合金（HEAs）已成为材料领域的研究热点，而且人们在开发各种高性能HEAs方面已取得了重大进展。作为一类特殊的HEAs，轻质难熔高熵合金（RHEAs）兼具优异的高温综合性能和低的密度，受到材料领域越来越多的关注。为此，本文对轻质RHEAs的研究现状和最新进展进行了全面的综述。首先，在对文献报道进行详尽检索的基础上，提出了一种根据合金制备后相的数量对轻质RHEAs进行分类的策略。随后，逐一介绍了轻质RHEAs在基础热力学/热物性数据/数据库、合金设计方法和制备/加工技术方面的现状与进展。接着，总结了轻质RHEAs在常温/高温下的力学性能以及氧化/腐蚀/磨损行为等方面的研究进展。最后，进行综述的总结，指出了当前研究的不足之处，并建议了轻质RHEAs领域后续发展的重要方向。

　　随着核能、航天航空、电力工业等领域的高速发展，传统的镍基高温合金已经无法满足越来越严苛的性能要求。因此，迫切需要开发具有优异高温综合性能的新型合金。难熔高熵合金（RHEAs）因其高强度、良好的抗氧化性和出色的耐腐蚀性在高温领域引起了人们的关注。然而，典型的RHEAs含有重元素（如W、Ta、Mo等），导致合金的密度较高，从而限制了RHEAs在各领域的应用。为了突破这种限制，近年来研究人员通过添加低密度元素（如Ti、Al、V、Zr等）来开发轻质RHEAs。与传统的RHEAs相比，轻质RHEAs不仅具有高强度，而且密度显著降低。一般来说，轻质RHEAs小于 8 g/cm³。因此，轻质RHEAs在材料领域引起越来越多的关注，且有望成为高温领域的重要候选材料。

　　论文基于对轻质RHEAs相关 180 余篇文献的详尽分析，提出了轻质RHEAs的通用分类方法，介绍了轻质RHEAs热力学/热物参数数据/数据库、合金设计方法和制备/制造技术的研究现状，总结了轻质RHEAs在室温/高温下力学性能和氧化/腐蚀/磨损行为的最新进展。最后，分析了当前研究的不足之处，指出了轻质RHEAs未来的六大重要研究方向。

　　在轻质RHEAs中添加Al可能会导致从bcc_A2相转变为bcc_B2相。因而在确定具有高Al含量轻质RHEAs的相结构时，需要非常小心。这是因为有序bcc_B2相的晶体结构与无序bcc_A2相相同。如图1所示，根据X射线衍射（XRD）图谱（见图1(a)和(b)）确定AlNbTiV和AlNb2TiV合金为bcc_A2单相结构，但进一步通过透射电子显微镜（TEM）分析确定其为有序bcc_B2结构（见图1(c)和(d)）。图1(c)和(d)中的TEM亮场图像和插入的选择区域衍射（SAD）图谱清楚地显示了(100)的超点阵斑点，表明AlNbTiV和AlNb2TiV合金中的相为有序bcc_B2相。

　　图 2采用SEM、ND、EBSD和APT技术研究了NbTaTiV合金的显微结构和成分。NbTaTiV合金在1200°C下热处理（a）1天和（b）3天后的SEM-BSE图像，（c）ND图谱，（d）EBSD相分布图和（e）沿黑色箭头（顶部）的浓度-距离曲线，以及NbTaTiV合金在1200°C下热处理3天后各个元素的三维原子分布图

　　到目前为止，人们已经广泛使用XRD、扫描电子显微镜（SEM）、TEM和原子探针层析成像（APT）等技术对轻质RHEAs中的相类型、成分和体积分数进行了深入研究，并与CALculation of PHAse Diagram（CALPHAD：相图计算）方法得到的相平衡进行了比较。代表性结果如图2所示。

　　图 3HEAs（a）参数 δr和 Ω 之间的关系以及（b）参数 δr和Δ χAllen之间的关系

　　图 4（a）固溶体/多相经典HEAs和轻质HEAs的参数 δr和Δ Hmix之间的关系，以及（b）参数 δr和 Ω 之间的关系

　　经验模型可以预测合金体系中的未知相结构，因而常用于各种HEAs设计。然而，大多数经验判据是根据经典HEAs的实验数据推导而来，难以准确预测轻质RHEAs的相结构。从图4中可以看出，基于HEAs实验数据推导的经验判据并不适用于轻质RHEAs。因此，有必要开发适用于轻质RHEAs的经验模型。

　　基于从头计算理论的第一性原理计算广泛用于获得不同轻质RHEAs的热力学性质、结构性质和弹性性质，并为成分设计提供重要参考和指导。如第一性原理计算可获得可靠的熵、焓和吉布斯自由能，用于预测相关合金系统的相稳定性。此外，还可采用柯西压力（C11-C44）、体模量（B）、剪切模量（G）和Pugh指数（B/G）来表示合金的脆性、延展性和硬度。代表性结果如图5所示。

　　近50年来，CALPHAD方法广泛用于预测多元合金体系的相组成、热力学性质等。CALPHAD热力学计算和动力学模拟已成为加速新型高熵合金设计和开发的有效手段。而近年来流行起来的数据驱动的机器学习技术也逐步用于预测不同高熵合金系统中相组成和性质。此外，多种计算方法的结合也常用于高熵合金设计和开发。如经验准则与CALPHAD方法相结合能够准确预测不同高熵合金中的相组成。CALPHAD方法和第一性原理计算相结合，已成功设计了具有新型结构和优异性能的新型轻质RHEAs。集成机器学习技术、蒙特卡洛模拟和第一性原理计算已用于轻质RHEAs高温相稳定性的研究。

　　目前，制备轻质RHEAs最常用的方法是在高纯度氩气保护的电弧熔炼技术。电弧熔炼是一种通过高温产生的电弧放电来熔化金属的电热冶金方法。因此，电弧熔炼技术可以熔化绝大多数的难熔金属元素，从而很好地解决了合金元素之间熔点差异过大而难以制备的问题。

　　合金在不同扭转次数下bcc_B2相的LROP；(c) AlNbTiVZr0.5合金在不同扭转次数下沿着圆盘中心距离的显微硬度分布图；(d) AlNbTiVZr0.5合金经高压扭转后，bcc_B2相和Laves相的纳米硬度随扭转次数的变化图大多数轻质RHEAs具有高熔点、高强度和优异硬度的bcc_A2结构，在性能上优于传统的镍基高温合金，但其在室温下延展性较差。与原始铸态相比，退火后的轻质RHEAs通常具有更高的室温屈服强度和较低的断裂应变。然而，经热等静压（HIP）和退火处理后的轻质RHEAs，其断裂应变可以高于仅经过退火处理甚至是原始铸态的轻质RHEAs。此外，烧结态的轻质RHEAs通常具有较高的屈服强度，尤其是具有双相和多相结构的合金还往往具有较大的维氏硬度。对于具有相同基体相（bcc_A2或bcc_B2）的轻质RHEAs，在相同处理条件下，具有双相和多相结构的合金相相比于单相结构的合金往往具有更高的室温屈服强度。

　　相关研究表明，与传统的难熔合金相比，轻质RHEAs的氧化速率显著降低。通常可以采用经典的氧化生长规律来拟合轻质RHEAs的质量增加-时间曲线，可得到相应的氧化物生长速率。尽管文献中对轻质RHEAs的研究有限，但其展示出与传统HEAs相似的优异抗氧化性能。关于轻质高熵合金的耐腐蚀性能，目前的研究还比较少。作为重要的工程材料之一，轻质RHEAs在不同环境中的磨损行为也备受关注。轻质高熵合金的磨损行为主要由机械磨损和氧化磨损所贡献。此外，研究人员通过提高轻质高熵合金的机械性能、氧化和耐腐蚀性能，致力于改善其在室温、高温和腐蚀环境下的磨损行为。

　　RHEAs的通用分类方法，简述了轻质RHEAs热力学/热物性参数数据/数据库、合金设计方法和制备/制造技术的研究现状，总结了轻质RHEAs在室温/高温下力学性能和氧化/腐蚀/磨损行为的最新进展。尽管目前在高性能轻质RHEAs合金的探索方面取得了一些进展，但要实现轻质RHEAs取代镍基高温合金的目标仍然需要长期努力。在本文作者看来，迫切需要开展以下工作：（1）引入新的合金元素；（2）进一步丰富基础热力学/热物性数据，并建立相应的CALPHAD数据库；（3）开发/引入先进的计算技术；（4）选择合适的制备/加工方法；（5）理解合金的强化/增韧机制并改善其综合力学性能；（6）高效设计具有优异性能的新型轻质RHEAs。

　　张利军，1983 年 8 月出生于江西省浮梁县，博士，中南大学教授、博士生导师。曾获德国洪堡学者、国家级青年人才、湖南省杰出青年基金、湖湘青年英才，入选斯坦福大学全球前 2% 顶尖科学家榜单。现为中国材料研究学会计算材料学分会委员/副秘书长，有色金属学会增材制造技术专业委员会委员，国际刊物Frontier in Materials副主编，Materials、Advanced Powder Materials、Journal of Magnesium and Alloys等 9 本国内外刊物编委/青年编委，担任 4 次国内外刊物专辑客座主编。

　　主要从事先进结构材料的设计、制备加工及应用领域研究工作。近年来主持国家级项目 15 项，省级项目及企业横向课题近20项。累计在Acta Materialia、Nature Communications、npj Computational Materials、Journal of Materials Science & Technology等 50 余种国际期刊上发表论文 200 余篇，出版英文专著 2 本、专著章节 8 篇，授权中国发明专利 7 项、中国软件著作权 6 项。在国际会议上做大会邀请/口头报告 30 余次，组织/共同组织国际会议 3 次、国内会议 5 次。曾获湖南省自然科学一等奖（排名第 3）、湖南省优秀博士学位论文奖、国际CALPHAD刊物年度最佳论文奖、中国有色金属十大进展（排名第 3）。

　　李谦，上海大学/重庆大学教授/博导、国家高层次人才特聘教授。现任国家镁合金材料工程技术研究中心副主任、国际镁学会学术委员会副主任，曾任上海大学材料基因组工程研究院副院长，现任中国有色金属学会第八届理事会常务理事，担任 J. Mater. Sci. Technol、J. Magnes. Alloy、Int. J. Min. Met. Mater.、中国有色金属学报（中、英文版）等学术期刊的 Associated Editor 或编委。长期从事储氢材料及储氢系统集成的研究开发，主持国家和省部级重大重点及横向项目 30 余项。在 Angew. Chem. Int. Ed.、Acta Mater.、J. Mater. Sci. Technol等期刊发表 SCI 收录论文 300 余篇，引用 8000 余次，H因子 51，入选全球前 2% 顶尖科学家终身科学影响力排行榜；获授权国家发明专利 62 件，出版中文教材/专著 2 部。曾获全国优秀博士学位论文奖、中国有色金属工业科学技术一等奖、中国有色金属创新争先奖、国际镁科学与技术奖、国际镁协会镁未来技术奖等；入选上海市领军人才和重庆英才•创新领军人才等。