综述：加速新合金发现的自优化策略：迷你综述

《Materials & Design》：Self-Optimization strategy for accelerating new alloy discovery: A Mini-Review

　　

自优化策略通过溶质分配选择最优合金，无需依赖相图。该策略已在多种合金中实现高强度、高延展性和高热稳定性。与机器学习（ML）、高通量（HT）测试和计算热力学（CALPHAD）相结合，该策略能够实现闭环设计。

1. 引言

论文首先指出，汽车、航空航天和国防等行业对更强韧合金的需求持续增长。传统合金通过向基体金属中添加少量溶质实现强化，但面临力学性能的固有局限性，例如铝（Al）和镁（Mg）合金因基体金属本身强度较低而难以获得满意的屈服强度。2004年，高熵合金的引入带来了突破。高熵合金最初定义为五种或更多主要元素的等原子混合物，利用高混合熵形成面心立方（FCC）、体心立方（BCC）或密排六方（HCP）结构的单相固溶体。随着时间的推移，高熵合金概念已扩展至每元素含量为5–35 at.%的多主元合金，通常称为成分复杂合金（CCAs）。这些合金表现出四种“核心效应”：高熵效应、晶格畸变效应、缓慢扩散效应和“鸡尾酒”效应。多主元体系的成分空间近乎无限，即使考虑37种常用元素和1%的成分分辨率，也存在约10³⁴种可能的合金，但过去18年仅探索了400多种体系。传统试错法在此庞大的成分空间中不切实际，因此发展了物理模型、计算方法（如CALPHAD、密度泛函理论（DFT））和机器学习（ML）三种策略，但各有局限性。物理模型在相预测方面准确率仅约72%，CALPHAD和DFT受数据库可用性和计算复杂性制约。论文回顾了Cantor等人的开创性工作，即从20元等原子合金的多相结构中的特定单相区域筛选出CoCrFeMnNi单相高熵合金，这种利用合金自身自然溶质分布和扩散过程的方法被称为“自优化策略”，但后续研究多聚焦于高熵合金概念本身，而低估了这种快速合金设计方法。

2. FCC高熵合金

2.1. CoCrFeMnNi FCC HEA

首个采用自优化策略开发的合金是等原子CoCrFeMnNi合金（Cantor合金）。其发现源于Cantor的一个“疯狂想法”，即从20元等原子合金的多相微观结构中的单一FCC相区筛选出该成分。铸态Cantor合金呈典型的枝晶组织，通过热机械处理可获得具有等轴晶粒和退火孪晶的均匀微观结构。Cantor合金表现出优异的力学性能，尤其在低温条件下：在77 K温度下，屈服强度从约350 MPa提升至约600 MPa，抗拉强度从约650 MPa提升至超过1 GPa，延伸率从约60%提升至约90%。其断裂韧性超过200 MPa·m^1/2，优于几乎所有纯金属和合金。

2.2. Co₃₄Ni₂₇Cr₁₂Fe₁₂Al₁₂W₃ FCC HEA

2020年，Wang等人从已有的双相共晶高熵合金（EHEA）中提取单相成分进行设计。基于Ni₃₀Co₃₀Cr₁₀Fe₁₀Al₁₈W₂ EHEA的FCC/B2双相微观结构，通过提取各相化学成分，设计出过饱和FCC基高熵合金。该合金在1000℃退火后表现出1.4 GPa的抗拉强度和20%的延伸率，实现了优异的强度-延展性协同效应。

2.3. Cr₂₆Ni₂₅Co₂₁Fe₂₁Al₇ FCC HEA

Yin等人直接使用双相AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金中FCC固溶体相的成分设计了Cr₂₆Ni₂₅Co₂₁Fe₂₁Al₇合金。经热机械处理后，该合金形成包含异质层片、亚微米晶粒和共格L1₂纳米颗粒的多尺度层级微观结构，实现约1.2 GPa的超高屈服强度和约10%的延展性。

3. BCC高熵合金

3.1. Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄ BCC HEA

Tasan等人受Cantor合金发现启发，从等原子TiVCrZrNbMoHfTaW母合金中的四个相分离区域中提取Ti-V-Nb-Hf富集相的成分，设计出Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄合金。该合金具有单一BCC相和均匀等轴晶粒组织，铸态下表现出约774 MPa的屈服强度和约20%的延展性。其等原子变体Ti₂₅V₂₅Nb₂₅Hf₂₅表现出约1004 MPa的屈服强度和约16.1%的延伸率。

3.2. Ti₃₇V₁₅Nb₂₂Hf₂₃W₃ BCC HEA

Huang等人通过比较九种难熔金属元素的剪切模量，发现钨（W）的剪切模量最高，因此向Ti₃₈V₁₅Nb₂₃Hf₂₄合金中引入W元素。通过EDS鉴定含W相，确定新合金成分为Ti₃₇V₁₅Nb₂₂Hf₂₃W₃，具有优异的显微组织均匀性，消除了脆性晶界连续相，实现了980 MPa的屈服强度和19.8%的断裂延伸率。

3.3. Fe₅₀Al₁₄V₁₁Cr₁₀Mo₆Ti₅W₄ BCC HEA

Yin等人将自优化策略与失稳策略相结合。通过增加Fe含量作为失稳剂，降低了混合熵，导致凝固过程中发生相分解。利用能谱（EDS）检测亚稳相区的局部成分，确定Fe₅₀Al₁₄V₁₁Cr₁₀Mo₆Ti₅W₄成分。该合金经600℃时效33天后，硬度从约635 HV₂提升至约1131 HV₂，屈服强度增加两倍以上。

3.4. Al₈V₂₄Cr₂₄Fe₁₃Co₁₀Ni₇Mo₁₃W₁ BCC HEA

Zhao等人将自然混合和表面重构概念相结合，提出“批量合金定向”方法用于析氧反应（OER）电催化剂设计。通过电弧熔炼形成多相合金，经能谱和X射线衍射（XRD）分析鉴定出七个稳定相。合金I中的Cr₃₂V₂₄Mo₁₅Fe₁₄Co₈Ni₃Al₃W₁纳米相在电催化测试中被优先腐蚀，诱导表面重构形成多孔网络纳米结构，表现出最低的过电位。

3.5. Ti₅₅Zr₃₀Ta₆V₅Cr₂Fe₂ BCC HEA

Moschetti等人针对先进核应用，基于核特性数据库选择Ti、V、Cr、Fe、Zr和Ta六种元素，制备等原子TiVCrFeZrTa高熵合金。铸态组织为C15 Laves相和BCC相组成的枝晶结构。为避免脆性C15 Laves相，复制BCC相成分得到Ti₅₅Zr₃₀Ta₆V₅Cr₂Fe₂合金。经热机械处理后，该合金屈服强度达1360 MPa，断裂韧性达36.4 MPa·m^1/2。

3.6. Nb₃₅Ti₂₅V₂₅Al₁₀Zr₅ BCC HEA

Chakraborty等人采用自优化策略优化ZrNbVTiAl合金成分。通过扫描电镜-能谱（SEM-EDS）对等原子ZrNbVTiAl合金枝晶相进行20个位置的成分测量并取平均值，确定非等原子成分为Nb₃₅V₂₅Ti₂₅Al₁₀Zr₅。该成分凝固时形成单一BCC相，金属间化合物体积分数从约25.3%显著降至12.1%。

3.7. Al₉Cr₃₆Fe₂₅Mn₁₇Ti₁₃ BCC HEA

Dong等人采用自优化策略开发高温抗氧化高熵合金。首先收集超过1000个高熵合金高温氧化数据点，使用机器学习预测合金氧化增重，将数据库中频繁出现的低氧化增重元素混合熔炼为AlCrCuFeMnNiTi合金。经短时高温暴露和纳米压痕测试，BCC相表现出显著优于FCC相的抗氧化性和硬度。基于BCC相成分设计H3合金，因形成连续Al₂O₃膜而兼具抗氧化性和高硬度。

3.8. W₅₇Ta₂₁V₁₁Ti₈Cr₃ BCC HEA

Li等人利用低活化难熔元素的自然混合倾向开发钨（W）基面向等离子体材料。在等原子TiVCrZrHfTaW七元母合金中自然形成富W相，经能谱点分析确定目标成分为W₅₇Ta₂₁V₁₁Ti₈Cr₃，具有近等轴晶粒形貌和单一BCC相。该材料室温屈服强度比再结晶钨高约60%，抗氧比性优于纯钨，最大可承受稳态热负荷约为ITER钨块的84%。

4. 金属间化合物

4.1. Ni_43.9Co_22.4Fe_8.8Al_10.7Ti_11.7B_2.5 B2合金

Wang等人通过提取Ni₃₀Co₃₀Cr₁₀Fe₁₀Al₁₈W₂ EHEA母合金中单相成分，设计出Ni/Al富集的B2基高熵合金。该合金具有约3.2 GPa的高压缩强度和约32%的压缩应变，优于其他NiAl基合金。其晶界分布的软FCC层能够协调相邻晶粒变形并抑制裂纹扩展，从而克服强度-延展性权衡。

4.2. Ni_43.23Co_23.69Fe_10.06Al_8.61Ti_14.41 L1₂合金

Yang等人将高密度韧性多主元金属间化合物纳米颗粒引入复杂合金体系。基于原子探针断层扫描（APT）分析，确定了L1₂相成分为Ni_43.23Co_23.69Fe_10.06Al_8.61Ti_14.41。重新制备该成分的L1₂合金后，其力学性能较传统Ni₃Al合金大幅提升，压缩屈服强度为600 MPa，压缩强度为2.7 GPa，断裂应变为40%。

5. 传统合金

5.1. 共晶铝合金

Cai等人将自优化策略应用于Al-Cu-Si-Ni四元共晶合金设计。通过能谱（EDS）分析AlCu₂₄Si₉Ni₁母合金中细小三元共晶区域成分，确定AlCu₂₂Si_8.5Ni_0.8成分。随后对该合金再次应用自优化策略，筛出三元共晶区域成分，得到AlCu₂₄Si₈Ni_0.8合金，呈现几乎完全均匀的三元共晶组织，较传统Al-Cu二元共晶合金具有更优异的硬度和热稳定性。

6. 前景与挑战

6.1. 利用自优化策略发现新合金的未来机遇

现有双相或多相多主元合金，特别是非等原子高熵合金，为快速设计具有过饱和固溶体和优异力学性能的合金提供了基础。自优化策略不应局限于单相固溶体合金的开发，也可有效扩展至双相或多相合金。如果将该策略的数据库扩展至钢、高温合金、铝合金和金属间化合物等传统合金体系，将极大扩充潜在母合金库。传统合金中因共晶/共析反应、枝晶偏析、调幅分解、沉淀等冶金机制普遍存在相分离现象，这为自优化策略的更广泛应用提供了机会。