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本文聚焦从高熵合金（HEAs）到具有高熵的合金（AHEs）的转变。阐述了高熵钢、超合金和金属间化合物的发展，强调利用废料制备多组分合金的可持续性，以及人工智能在合金设计中的关键作用，为材料科学发展提供新思路。
1. 引言
高熵合金（HEAs），又称多主元合金（MPEAs），它的出现是合金设计领域的重大变革。传统合金通常以一种基体金属为主，添加少量元素来改善性能，且合金元素的数量和含量受限于有害第二相的形成。2004 年，Cantor 和 Yeh 提出由五种或更多元素形成单相固溶体的设想，改变了传统的固溶体形成准则，高混合熵成为重要设计特征。
MPEAs 展现出多种优异性能，在物理性能（如导电、导热性）、耐极端腐蚀、机械性能（包括高温和低温环境）等方面表现出色。2021 年，国际专家报告提出实现 HEAs 潜力的九条建议，但人工智能在加速 HEA 发现方面仍面临数据稀缺和模型预测可行性等问题。
HEAs 的发展对可持续冶金意义重大，其可持续性体现在直接和间接两个方面。直接可持续性通过使用低碳、节能原料，优化合金成分，促进回收再利用实现；间接可持续性则通过提高下游产品效率和寿命来体现。同时，HEAs 分类不断演进，包括 FCC、BCC 和双相 HEAs，不同类型具有独特性能和应用领域。
尽管 HEAs 优势明显，但也面临原材料需求大、市场可用合金有限等挑战。此外，HEAs 的优异性能源于鸡尾酒效应、扩散缓慢、晶格严重畸变、高混合熵等，近期研究还发现短程有序也对强化有重要贡献。基于此，本文提出向设计具有高熵的合金（AHEs）转变，以突破现有限制。
2. 高熵钢
2015 年，Raabe 提出 “高熵钢” 概念，即通过熵驱动在非等原子五元或更高合金中实现大量固溶体的稳定化。这一概念拓宽了微量元素的使用范围，有助于增加构型熵，提高形成固溶体的可能性。虽然最大化熵不一定能最小化金属间相的形成，但在某些钢中，金属间相的形成可通过固溶强化和时效处理增强材料性能。
Raabe 的工作强调高熵合金无需遵循等原子组成，并引入堆垛层错能（SFE）作为设计参数。低 SFE 与 TRIP/TWIP 效应（相变诱导塑性和孪晶诱导塑性）相关，能显著改善钢的延展性和韧性等机械性能。许多研究将高熵合金设计概念应用于铁基高熵合金（高熵钢）的开发，发现低 SFE 与优异的低温性能、高延展性的拉伸性能相关，且 SFE 与合金元素数量和 FCC 钢中 γ - 稳定剂百分比有关，因此在高熵合金开发中，低 SFE 和高构型混合熵应作为关键选择标准。
此外，基于此方法还开发了高熵白口铸铁。在这种铸铁中，高熵效应未体现在微观结构中，而是通过添加大量形成碳化物的元素，在凝固过程中抑制碳化物生长，细化碳化物，从而提高硬度。
3. 高熵超合金
高熵超合金（HESA）的概念与其他高熵钢几乎同时提出，目前已形成两个不同的家族，它们在微观结构演变上采用不同方法。
第一个家族通过积累多种合金元素形成单一固溶体，实现高混合熵，研究主要集中在难熔元素，形成 BCC + B2 微观结构，类似于传统超合金的 γ - γ’结构。这种结构中，无序的 BCC 相为有序的 BCC（B2）相提供基体，B2 相呈立方体形状。在这种合金中，BCC 相在高温下稳定，冷却时会发生自旋 odal 分解，形成双相微观结构，包括富含 Al（以及 Ti 和 Zr）的有序立方 B2 相和富含 Ta（以及 Nb 和 Mo）的无序 BCC 相。这种微观结构使合金在高温下表现出色，并且随着时间发展，该家族合金还引入了其他强化机制，如金属间相的析出，进一步提高了硬度和抗压强度。
第二个家族是在 Ni 或 CoNi 基合金中添加多种元素以确保高混合熵，通常形成 γ - γ’微观结构，其中 γ 基体具有高混合熵。研究表明，高混合熵可提高 γ’相的固溶温度，增强合金在高温下的稳定性。开发这类 HESAs 有两个重要设计标准：γ 和 γ’相之间适当的晶格失配（δ）和高反相畴界能（APBE）。晶格失配与 γ’析出相的形态密切相关，影响合金的高温强度和蠕变性能；APBE 是有序合金结构中的平面缺陷，较高的 APBE 值表示有序结构更稳定，对合金的强化、疲劳和蠕变性能有重要影响，其大小受温度和 γ’相成分的影响。
4. 高熵金属间化合物（HEICs）
高熵金属间化合物（HEICs）的术语由 Tsai 在 2016 年首次提出。金属间化合物是一类独特的材料，具有类似陶瓷的性质，其晶体结构由超晶格组成，可分解为两个重叠的简单晶格。在传统金属间化合物中，一个晶格通常由单一成分主导，另一个晶格由一两个成分控制；而在 HEICs 中，亚晶格 1 通常由一两个成分占据，亚晶格 2 包含五个或更多成分。
传统金属间化合物的形成遵循电子（如价电子浓度（VEC）和电负性）和几何（如原子尺寸差异和堆积效率）规则，HEICs 的设计则需引入更多参数，包括原子半径差异（δr）、电负性（χ）、平均 VEC、混合焓（ΔHmix）、理想混合熵（Sid）和熔化温度（Tm）等，计算这些参数的方法需考虑超晶格结构的特点。
HEICs 在机械性能（如高温性能和高压缩屈服强度）、功能性能（包括形状记忆行为、超导性和磁性）和催化活性等方面表现出色，具有广泛的应用前景。
5. 可持续高熵合金的发展
传统高性能合金通常具有复杂精确的成分、严格的制造方法和复杂的处理过程，依赖特定的金属原料，其中许多是关键金属。高熵合金（HEAs）、多主元合金（MPEAs）和具有高熵的合金（AHEs）的出现改变了高性能材料的设计模式，通过使用多种合金元素实现高构型熵，减少对关键元素的依赖，同时优化其他设计参数。
这种新理念为回收利用废料生产先进材料提供了可能。利用高熵原理，可以将标准化商业合金混合，满足高性能微观结构的开发标准。其优势包括不存在禁用元素、可避免直接使用关键金属、可直接利用采矿残渣和电子废料等多组分合金，促进废料回收，减少能源和原材料消耗。已有研究证明可从电子废料（e - waste）生产 AHEs，这简化了回收过程，为可持续设计高性能合金开辟了道路。
6. 迈向新的合金设计方式：转变材料科学与工程（MSE）的经典范式
新的合金设计理念核心基于两个关键原则：一是基于微观结构而非成分进行设计；二是利用替代概念（如构型混合熵、SFE、晶格失配和 APBE 等）作为期望微观结构的动态元素，减少对特定原材料的依赖，使合金开发更具可持续性。
采用这种方法面临两个挑战：一是使用废料或多种金属元素组合时，合金变体数量庞大，需要强大的计算工具，并与机器学习等数据驱动学习系统集成；二是需要准确的数据支持基于学习的设计系统，可通过建立强大的数据管理系统（包括获取外部开放数据）和高通量制造及表征技术生成大量数据集来解决。
在新的合金设计中，有四个关键因素：可用的原材料、采用的模型和优化方法（包括人工智能）、支持优化过程的数据、指导微观结构的设计参数（如高构型熵、SFE、晶格失配、APBE 等）。这些因素与微观结构、材料性能和加工技术密切相关，同时也与新型增材制造技术的发展相关，这种技术有助于减少原材料使用、降低重量和减少碳排放。
为实现从关注 “合适的成分” 到 “合适的微观结构” 的转变，需要修改材料科学与工程（MSE）的经典范式。传统的将化学成分、性能、制造和性能相关联的四面体应进行修订，将 “成分” 顶点替换为包含可用原料、设计参数、建模 / 优化和数据生成四个顶点的子四面体，该子四面体与加工相关联，通过关注创新的设计和加工参数，实现使用替代和更可持续的材料来源。
7. 总结
从高熵合金（HEAs）到具有高熵的合金（AHEs）的转变是材料科学发展的重要趋势。在这一过程中，微观结构的优化和设计更加注重混合熵、SFE、晶格失配和 APBE 等因素；利用废料生产多组分合金为可持续材料采购和减少浪费提供了机会；人工智能在合金设计优化中发挥着关键作用，帮助筛选出最有前景的合金配方；同时，合金开发的范式也发生了转变，从传统的基于经验知识的成分优化转向考虑微观结构设计和新型加工技术。这种转变体现了材料科学在技术、数据科学推动下的不断演进，有助于开发出更可持续、高性能的材料，满足现代应用的广泛需求。
