高熵合金（英文名：High-entropy?alloys，簡稱HEA），是由5種或5種以上等量或大約等量金屬形成的合金。研究發(fā)現(xiàn)高熵合金的比強(qiáng)度比傳統(tǒng)合金高很多，而且抗斷裂能力、抗拉強(qiáng)度、抗腐蝕及抗氧化特性都比傳統(tǒng)的合金要好。以往的合金中主要的金屬成分可能只有一至兩種。例如會以鐵為基礎(chǔ)，再加入一些微量的元素來提升其特性，因此所得的就是以鐵為主的合金。以往的概念中，若合金中加的金屬種類越多，就會使其材質(zhì)脆化。但高熵合金和以往的合金不同，有多種金屬卻不會脆化，是一種新的材料。高熵合金應(yīng)用廣泛，涵蓋工具、模具等耐磨耐溫耐蝕領(lǐng)域，高爾夫球頭打擊面等硬面，高頻變壓器磁心等磁性元件，化工廠與船艦用耐蝕材料，渦輪葉片等高溫材料，超高大樓耐火骨架及微機(jī)電材料。
20世紀(jì)90年代初期，英國牛津大學(xué)Cantor率先證偽英國劍橋大學(xué)Greer提出的“混亂原則”理論。他借助電弧熔煉技術(shù)與鑄造工藝，成功制備出具有單相固溶體的CoCrFeMnNi合金，該合金后被稱為Cantor合金。同期，中國臺灣省學(xué)者葉均蔚將此類單相固溶體合金命名為高熵合金。2020年6月，喇培清教授帶領(lǐng)的納米材料與技術(shù)團(tuán)隊自主研發(fā)的“一種MoCrFeMnNi高熵合金及其制備方法”及“一種TiCrFeNiMn高熵合金及其制備方法”獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利授權(quán)。2025年10月19日，安徽師范大學(xué)校長熊宇杰教授聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)相關(guān)科研團(tuán)隊在溫和條件下利用激光輻照所激發(fā)的等離激元光熱效應(yīng)和熱電子效應(yīng)，成功創(chuàng)制出亞納米級高熵合金，這一方法具備廣泛普適性，可制備包含多達(dá)十種金屬元素的高熵合金。
概念定義
高熵合金是由等摩爾比的五種或五種以上組元構(gòu)成，為了豐富組元設(shè)計，規(guī)定每種組元含量介于5%~35%之間。早期的高熵合金研究通常是面心立方（face-centered cubic，F(xiàn)CC）和體心立方（body-centered cubic，BCC）固溶體結(jié)構(gòu)，隨著研究的不斷深入，密排六方結(jié)構(gòu)（hexagonal close-packed, HCP）的高熵合金也已出現(xiàn)。在高熵合金研究領(lǐng)域具有代表性的合金體系包括FCC結(jié)構(gòu)的AlCoCrFeNi、AlCrCuFeNi、CoCrCuFeNi、CoCrFeMnNi，BCC結(jié)構(gòu)的TaNbHfZrTi、TaNbVTiAl以及HCP結(jié)構(gòu)的AlLiMgScTi等，也存在著一些FCC和BCC雙相混合的高熵合金體系，例如Al,（CoCrFeMnNi）、Al,（CoCrCuFeNi）等。
歷史沿革
20世紀(jì)90年代初期，英國牛津大學(xué)的Cantor率先證偽了英國劍橋大學(xué)的 Greer提出的“混亂原則”理論，他利用電弧熔煉技術(shù)和鑄造工藝成功制備了具有單相固溶體的CoCrFeMnNi高熵合金（Cantor合金），與此同時，中國臺灣省的學(xué)者葉均蔚將這種單相固溶體合金命名為高熵合金。
2020年6月，從蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點實驗室獲悉，由喇培清教授帶領(lǐng)的納米材料與技術(shù)團(tuán)隊自主研發(fā)的“一種MoCrFeMnNi高熵合金及其制備方法”及“一種TiCrFeNiMn高熵合金及其制備方法”獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利授權(quán)（專利號：ZL201711173700.0和ZL201711174536.5）。標(biāo)志著甘肅省在“高熵合金低成本制備技術(shù)方面”獲得重大突破，又新增兩種全新MoCrFeMnNi、TiCrFeNiMn高熵合金。
2025年10月19日，安徽師范大學(xué)校長熊宇杰教授聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)相關(guān)科研團(tuán)隊創(chuàng)新性地使用了激光輻照技術(shù)，在溫和條件下實現(xiàn)了多種金屬的均勻混合，并成功制備出亞納米級別的高熵合金顆粒。納秒脈沖激光可以在極短時間內(nèi)將顆粒表面溫度迅速提升至2000攝氏度以上，再以每秒超過十億度的速度迅速冷卻。這一“快熱快冷”過程不僅克服了傳統(tǒng)合成方法的局限，還成功將合金顆粒尺寸控制在亞納米級別。該項激光合成新方法極大拓展了高熵合金的材料體系與適用范圍，有望推動其在能源、催化等領(lǐng)域的實際應(yīng)用，為新材料研發(fā)提供全新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際期刊《自然·材料》上。
分類
元素組
等原子比高熵合金；
非等原子比高熵合金；
微量添加元素高熵合金
參考資料：
微觀結(jié)構(gòu)
高熵合金優(yōu)異的綜合性能和結(jié)構(gòu)密不可分，因此，結(jié)構(gòu)是最重要的特點。高熵合金易形成無序固溶體結(jié)構(gòu)，但是特殊情況下也會形成非晶、金屬間化合物等相，因此按微觀結(jié)構(gòu)，可將高熵合金按照兩種分類方式劃分，一是按照相的結(jié)構(gòu)類型分類，二是按照相的種類分類。前者，高熵合金可以分為FCC型（面心立方結(jié)構(gòu)）、BCC型（體心立方結(jié)構(gòu)）、HCP型（密排六方結(jié)構(gòu)）、非晶型及金屬間化合物型。后者，高熵合金可以分為單相、雙相、非晶、共晶及多相高熵合金等。
合金基體
高熵合金還可分為金屬類高熵合金和復(fù)合類高熵合金，高熵合金在性能方面具有雞尾酒效應(yīng)，通過調(diào)整所含元素種類、配比，可具有輕質(zhì)、難熔等優(yōu)異性能。金屬類高熵合金主要有AlCrFeCoNiCu體系、VNbMoTaW體系，以及其他金屬體系，所含元素除了金屬元素AI、Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu等外，還有類金屬元素Si、B等。復(fù)合類高熵合金通過引入細(xì)小硬質(zhì)顆粒，進(jìn)一步增強(qiáng)了多主元高熵合金的力學(xué)性能。
維度
高熵合金按照維度可分為高熵合金薄膜（二維高熵合金）和高熵合金塊體材料（三維高熵合金）。對于高熵合金納米顆粒（零維高熵合金）以及高熵合金納米線或管（一維高熵合金）研究甚少。高熵合金薄膜材料往往是為了改善合金表面性能，通過熱噴涂、激光熔覆、濺射、氣相沉積等方法制備得到。合金通過這些方法凝固時，冷卻速率非常快，形核速率高，得到的晶粒細(xì)小，同時抑制其他相的析出。而高熵合金緩慢的擴(kuò)散效應(yīng)使得冷卻速率對合金凝固的影響更加明顯。也就是說，與傳統(tǒng)合金薄膜相比，在相同冷卻速率下，高熵合金薄膜材料的晶粒更加細(xì)小，其他相的形成會得到明顯抑制。此外，高熵合金薄膜材料也容易形成非晶結(jié)構(gòu)。高熵合金塊體材料是通過傳統(tǒng)鑄造工藝、磁懸浮熔煉、真空電弧熔煉、銅模吸鑄、定向凝固等技術(shù)制備得到的。與薄膜材料相比，其冷卻速率緩慢，得到的晶粒較大，相結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，存在相分離以及成分偏析。
組織結(jié)構(gòu)
和傳統(tǒng)合金類似，高熵合金的結(jié)構(gòu)可分為晶體和非晶體兩大類。高熵合金晶體與非晶體的最本質(zhì)差別在于組成晶體的原子、離子、分子等質(zhì)點是規(guī)則排列的（長程有序），而非晶體中這些質(zhì)點基本上無規(guī)則地堆積在一起（長程無序）。高熵合金在大多數(shù)情況下都以晶體形式存在。晶體結(jié)構(gòu)是決定固態(tài)金屬的物理、化學(xué)和力學(xué)性能的基本因素之一。高熵合金中常見的晶體結(jié)構(gòu)模型有面心立方結(jié)構(gòu)、體心立方結(jié)構(gòu)以及密排六方結(jié)構(gòu)。
面心立方結(jié)構(gòu)
高熵合金面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）與傳統(tǒng)合金相似，只是不同原子傾向于隨機(jī)占據(jù)晶格點陣，其引起的晶格畸變更加嚴(yán)重。當(dāng)原子在高熵合金中隨機(jī)排列，則形成無序FCC結(jié)構(gòu)（A1結(jié)構(gòu)）;當(dāng)合金中原子間作用非常強(qiáng)烈，形成有序結(jié)構(gòu)，如L12結(jié)構(gòu)，即大部分面心位置由特定的一種金屬原子占據(jù)，晶格頂點的位置由其他原子占據(jù)。與傳統(tǒng)的L12結(jié)構(gòu)相比，高熵合金中L12結(jié)構(gòu)有序度稍有下降。
體心立方結(jié)構(gòu)
高熵合金體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）模型依舊與面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）高熵合金相似，由不同原子隨機(jī)占據(jù)體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）晶格點陣。當(dāng)合金形成無序BCC固溶體結(jié)構(gòu)時，原子隨機(jī)分布在晶胞的頂點和體心位置，此結(jié)構(gòu)為A2結(jié)構(gòu);當(dāng)合金中原子出現(xiàn)有序排列時，如特定的原子占據(jù)體心位置，則形成有序B2或DO3等結(jié)構(gòu)。只是相對于傳統(tǒng)的BCC有序結(jié)構(gòu)，此類有序結(jié)構(gòu)的長程有序度也明顯降低。
密排六方結(jié)構(gòu)
高熵合金中密排六方結(jié)構(gòu)（HCP）相對較少，已有的研究集中于稀土元素基的高熵合金。其中，Ho-Dy-Y-Gd-Tb、CoFeReRu合金呈現(xiàn)出單相HCP結(jié)構(gòu)。與BCC和FCC金屬有明顯的固溶強(qiáng)化效應(yīng)相反，HCP金屬中并未出現(xiàn)明顯的固溶強(qiáng)化效果。
非晶結(jié)構(gòu)
高熵合金非晶結(jié)構(gòu)往往也是由急冷凝固得到，即合金凝固時原子來不及有序排列成結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu)，無晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在。
特點
高熵合金的比強(qiáng)度比傳統(tǒng)合金高很多，而且抗斷裂能力、抗拉強(qiáng)度、抗腐蝕及抗氧化特性都比傳統(tǒng)的合金要好。以往的合金中主要的金屬成分可能只有一至兩種。例如會以鐵為基礎(chǔ)，再加入一些微量的元素來提升其特性，因此所得的就是以鐵為主的合金。以往的概念中，若合金中加的金屬種類越多，就會使其材質(zhì)脆化。但高熵合金和以往的合金不同，有多種金屬卻不會脆化，是一種新的材料。由于高熵合金可能具有許多理想的性質(zhì)，因此在材料科學(xué)及工程上受到重視。
應(yīng)用領(lǐng)域
與傳統(tǒng)合金相比，高熵合金為合金設(shè)計帶來新的觀念，具備更多優(yōu)異的性能，透過適當(dāng)?shù)暮辖鹋浞皆O(shè)計，可獲得高硬度、高加工硬化、耐高溫軟化、耐高溫氧化、耐腐蝕、高電阻率等特性組合，其特性優(yōu)于傳統(tǒng)合金，且應(yīng)用層面豐富，如：高硬度且耐磨耐溫耐蝕的工具、模具、刀具；高爾夫球頭打擊面、油壓氣壓桿、鋼管及輥壓筒的硬面；高頻變壓器、馬達(dá)的磁心、磁屏蔽、磁頭、磁碟、磁光碟、高頻軟磁薄膜以及喇叭；化學(xué)工廠、船艦的耐蝕高強(qiáng)度材料；渦輪葉片、焊接材料、熱交換器及高溫爐的材料；超高大樓的耐火骨架；和微機(jī)電材料等。
生物材料
Ti-6Al-4V、Co-Cr-Mo合金因為具有良好的力學(xué)性能和耐蝕性而被應(yīng)用在生物材料中。然而，這些合金中的有毒元素如Al、Cr、Ni、V等在長期植入過程中可能因腐蝕和摩擦而溶解，導(dǎo)致阿爾茨海默病、過敏反應(yīng)和癌癥。此外，這些合金的彈性模量通常高于骨骼的彈性模量，由此引起的“應(yīng)力屏蔽效應(yīng)”可能會導(dǎo)致植入物松動、骨質(zhì)疏松等問題。Yang等研究了由單一BCC相組成的Ti20Zr20Hf20Nb20Ta20HEA在模擬生理環(huán)境中的生物腐蝕行為和體外生物相容性。該合金具有良好的力學(xué)性能，并且由生物相容性元素組成。與Ti-6Al-4V合金相比，Ti20Zr20Hf20Nb20Ta20表現(xiàn)出相對較低的彈性模量（~80 GPa）、較高的屈服強(qiáng)度（800~985 MPa）和良好的耐磨性。在TiZrHfNbTa表面進(jìn)行的MC3T3-E1細(xì)胞培養(yǎng)實驗展示出良好的細(xì)胞粘附性、活力和增殖性，這表明該合金具有良好的體外生物相容性。Hua等研究了TixZrNbTaMo（x=0.5、1、1.5和2）高熵合金的力學(xué)、腐蝕和磨損行為。結(jié)果表明Ti0.5ZrNbTaMo HEAs表現(xiàn)出約500HV的高硬度、接近2600MPa的高抗壓強(qiáng)度和超過30%的大塑性變形；在磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）溶液中，Ti0.5ZrNbTaMo HEAs表面形成了優(yōu)異保護(hù)性的氧化膜，具有高的耐蝕性，這些性質(zhì)對生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大潛力。
冶煉、高溫設(shè)備材料
在氧化和腐蝕環(huán)境中保持表面穩(wěn)定是材料在高溫下服役的關(guān)鍵條件之一，因為氧化和腐蝕導(dǎo)致的材料損失和表面退化最終會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件的失效。Tsao等研究了Ni-Co-Fe-Al-Cr-Ti元素組成的高熵高溫合金（HESA）的高溫氧化和腐蝕行為。結(jié)果表明，HESA的表面上形成氧化鉻或氧化鋁。與鎳基高溫合金CM247LC的抗氧化性和耐蝕性能比較表明，形成Al2O3的HESA在1100℃時的抗氧化性能強(qiáng)于鎳基高溫合金CM247LC，且形成Cr2O3的HESA在900℃時表現(xiàn)出優(yōu)異的抗熱腐蝕性。Gorr等研究表明，W-Mo-Cr-Ti-Al、Nb-Mo-Cr-Ti-Al和Ta-Mo-Cr-Ti-Al3種難熔HEAs在1000和1100℃下具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能。同時文獻(xiàn)表明，HEAs具有高的相穩(wěn)定性，當(dāng)其作為涂層材料時，不易與基體材料發(fā)生反應(yīng)，并具有超過傳統(tǒng)高溫合金的抗高溫軟化能力[31]。因此，HEAs也可用作熱擴(kuò)散屏障材料。
工業(yè)運輸、海洋環(huán)境材料
由于HEAs的“過飽和固溶體”特性，可以加入大量的抗腐蝕合金元素。目前研究表明HEAs在酸性、堿性、海洋性環(huán)境中均具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，可用作海洋環(huán)境下的抗腐蝕材料。用聚合物和陶瓷材料作為保護(hù)涂層均有一些局限性，例如陶瓷涂層易碎，而聚合物涂層的附著性較差，易脫落[33]。由AlCrFeNiW0.2Ti0.5HEAs制成的涂層具有高硬度（~692HV）和優(yōu)異的耐摩擦性能。Hsu等[35]對比了鑄態(tài)FeCoNiCrCux合金和304L不銹鋼的耐蝕性，電化學(xué)結(jié)果表明，F(xiàn)eCoNiCr合金的腐蝕電流密度更小且點蝕點位大于304L不銹鋼，說明FeCoNiCr在3.5%NaCl溶液中更容易鈍化和耐腐蝕，比304L不銹鋼表現(xiàn)出更好的耐蝕性。HEAs的耐蝕性對工業(yè)腐蝕性物質(zhì)的運輸和航空航天的事業(yè)發(fā)展都會產(chǎn)生幫助。
參考資料 >
蘭州理工大學(xué)重點實驗室納米材料與技術(shù)團(tuán)隊獲重大突破.中國甘肅網(wǎng).2025-10-20
合金材料新技術(shù)高熵合金之簡介.www.bsmi.gov.tw.2023-12-23
亞納米級!我國團(tuán)隊成功創(chuàng)制這一關(guān)鍵材料.百家號.2025-10-20
高熵合金耐蝕性研究進(jìn)展.中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報.2025-10-20