综述：高熵合金与中等熵合金的电弧增材制造技术评述

《Journal of Alloys and Compounds》：A critical review on wire arc additive manufacturing of high-entropy alloys and medium-entropy alloys

　　

摘要

高熵合金和中等熵合金凭借多种主元素带来的高构型熵、显著的晶格畸变、缓慢的扩散效应以及多组分协同作用，突破了传统合金的性能限制与设计理念。这类合金在极端环境及关键部件领域具有巨大应用潜力，涵盖航空航天、海洋设备、核工业、先进轨道交通、耐磨耐腐蚀结构件以及模具再制造等领域。线弧增材制造技术以电弧为热源，以金属丝、粉末或复合填充料为原料，具有高效、低成本、可实现大规模近净成形以及成分调控灵活等优势，有望成为高熵合金/中等熵合金工程化制造的核心技术路径。尽管近年来关于高熵合金和中等熵合金的线弧增材制造研究日益增多，但相关系统性综述仍较为缺乏。本研究整合现有文献成果，概述了当前的线材设计及制备工艺、影响微观结构与性能的因素，以及线弧增材制造所得高熵合金/中等熵合金的常见缺陷与控制策略，旨在为该领域的科学研究与工程应用提供全面的理论参考和技术指导。

引言

高熵合金和中等熵合金最早由Yeh[1]和Cantor[2]于2004年提出，属于兼具结构与功能特性的新一代材料。这类合金以其多种主元素组成的特点、简单的相结构以及优异的整体性能而著称[3][4]。高熵合金和中等熵合金的核心特性可归结为四大效应：高熵效应、晶格畸变效应、缓慢扩散效应以及协同效应[5]。它们能够形成面心立方、体心立方、B2相、L1?相和σ相等多种晶格结构，有效抑制复杂脆性金属间化合物的大量生成，从而具备高强度、高延展性、高温稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗辐射性等传统合金难以实现的综合性能[6][7]。随着线弧增材制造技术的快速发展以及多组分合金设计理念的深入应用，相关研究已形成了覆盖范围广、性能梯度丰富的典型材料体系，主要包括AlCoCrFeNi高熵合金、CoCrFeNi高熵合金、铁基高熵合金、钛基高熵合金、难熔高熵合金、中等熵合金以及颗粒增强铝合金体系。表1总结了通过线弧增材制造得到的高熵合金/中等熵合金的现有材料体系及其典型微观结构形态。这些材料体系在结构强化、高温服役、表面防护、轻量化设计、耐磨耐腐蚀以及模具修复等诸多工程应用中展现出独特优势。

线弧增材制造属于定向能量沉积技术的一种，主要包含三种核心技术：基于钨极气体保护焊的增材制造、基于等离子弧焊接的增材制造以及基于金属气体保护焊的增材制造[8]。该技术具有沉积效率高、原材料成本低、制备尺寸无限制以及成分调控灵活等不可替代的优势[8][9]。线弧增材制造以金属丝为原料，通过电弧热量逐层熔化并堆积材料，实现零件的近净成形[8][10]。与传统铸造、冶炼和粉末冶金方法相比，该技术利用快速凝固和逐层热循环的特性，有效减少了零件成分偏析，细化了晶粒结构，并可通过原位合金化一步形成复杂的零件结构，为高性能高熵合金零件的高效生产提供了新途径[10][11][12]。例如，Jie[13]等人系统比较了线弧增材制造、脉冲电弧熔炼和真空熔炼三种工艺对FeMnCrCoNi高熵合金的成分、微观结构及硬度的影响。研究发现，真空熔炼过程中有大量锰蒸发，导致合金成分失衡且晶粒异常粗大；而等离子弧熔炼虽能保持合金成分的完整性，但在样品尺寸方面存在局限性。相比之下，线弧增材制造不仅保持了设计的合金成分，还具有细化的微观结构且无元素挥发现象，还能制造出大型整体零件，有效解决了真空熔炼中的成分偏析问题以及等离子弧熔炼的尺寸限制问题。这些研究结果表明，线弧增材制造是替代传统冶炼工艺制造高熵合金的可靠技术方案。

此外，线弧增材制造还可通过实心金属丝[14][15]、粉芯金属丝[13][16][17]、复合缆线丝[18][19][20]、双丝/多丝结构[21][22][23]，以及粉末与有机粘结剂预混合材料[24]等方式实现原位合金化。它无需预先制备复杂的预合金化粉末或金属丝，即可直接制造出共晶型、梯度型以及多主元的高熵合金零件。同时，线弧增材制造还可以与超声振动[25][26]、搅拌摩擦加工[27][28]以及热处理[29][30]等技术结合，用于修复缺陷、进一步细化晶粒结构，并优化高熵合金/中等熵合金的综合性能。例如，Fissha[31]等人通过采用超高频脉冲电流和温度控制处理，成功制备出了均匀无缺陷的非等原子比FeCoCrNiMnMo高熵合金。He[28]等人通过加入高熵合金颗粒并采用搅拌摩擦加工技术，优化了Al-Zn-Mg-Cu合金的微观结构与力学性能，实现了强度与韧性的协同提升。Qing[30]等人则通过优化不同温度下的热处理工艺，解决了在AlCoCrFeNi高熵合金中同时实现高强度与高韧性的难题。这些措施显著提升了线弧增材制造所得高熵合金/中等熵合金的综合性能，推动了该技术的快速发展与应用。

目前，关于线弧增材制造高熵合金/中等熵合金的综述大多涉及更广泛的增材制造技术，包括激光、电弧和电子束加工方法[11]。然而，专门针对线弧增材制造的系统性综述仍然相对较少，相关研究也尚未形成对该主题的全面梳理与总结。鉴于此，本文系统总结了线弧增材制造高熵合金/中等熵合金在原料设计与制备、微观结构与性能的影响因素，以及缺陷形成机制与控制策略等方面的研究进展，同时探讨了该领域的未来发展方向，旨在为后续研究提供理论依据和技术支持。

章节要点

原料的设计与制备

原料（金属丝和粉末）是决定线弧增材制造高熵合金/中等熵合金成分均匀性、成型稳定性及性能潜力的核心因素。原料的形式直接影响合金设计的灵活性、制备成本、成型过程中的缺陷率以及最终的微观结构与性能关系。通过文献调研，本文将线弧增材制造高熵合金/中等熵合金的原料体系分为三大类：典型金属丝（包括

线弧增材制造高熵合金/中等熵合金的影响因素

影响高熵合金/中等熵合金线弧增材制造的因素包括原料特性（如金属丝和粉末的类型及成分设计）、实验设备与环境条件、工艺参数（如热输入量与沉积策略）、后续处理工艺（如热处理和搅拌摩擦加工），以及外部能量场辅助作用（如超声振动），如图8所示。

在这些因素中，原料的成分与形貌是

常见缺陷与控制策略

本章重点介绍线弧增材制造所得中等熵合金/高熵合金的典型缺陷及其对应的控制策略，旨在为高质量这类合金零件的制备与工程应用提供理论支撑。现有研究表明，线弧增材制造得到的中等熵合金/高熵合金通常具有较高的相对密度，且固有缺陷较少[20][23][30][34]。不过，部分合金仍存在孔隙等内在缺陷，

结论

本文对线弧增材制造高熵合金/中等熵合金及相关复合材料的加工技术、微观结构与性能关系、缺陷特征及控制方法进行了系统性综述。结合全球范围内的最新研究进展，主要结论如下：

• 1.
  目前高熵合金/中等熵合金的线弧增材制造已形成六大类原料体系：实心金属丝、复合缆线丝、粉芯金属丝，

作者贡献说明

郝毅：项目管理、资金申请、数据整理。张文军：结果验证、实验研究。刘阳：初稿撰写、方法设计、实验研究、定量分析、数据整理。曹华军：结果验证、资金申请。贾乐：结果验证、研究指导、数据整理。唐倩：项目管理、资金申请。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号T2421001、52375306）、重庆市青年创新人才计划（项目编号CSTB2025YITP-QCRCX0097）、重庆市科技创新与应用发展重大专项（项目编号CSTB2024TIAD-STX0016）以及重庆市自然科学基金（项目编号CSTB2025NSCQ-GPX0728）的支持。

Hao Yi|Liu Yang|Wenjun Zhang|Le Jia|Huajun Cao|Qian Tang

中国重庆重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400044