《Progress in Materials Science》：Wear-resistant high-entropy alloys and coatings: tribological mechanisms, microstructural design, and data-driven discovery
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摘要
摩擦和磨损导致的退化在工程系统中造成了巨大的能量损失、部件失效和经济损失，这促使人们开发出具有更优异摩擦学性能的材料。高熵合金（HEAs）和基于HEAs的涂层因其广泛的成分空间而成为耐磨损应用的理想候选材料，因为它们可以调节相组成、晶格畸变、第二相和表面反应性。然而，它
摘要
摩擦和磨损导致的退化在工程系统中造成了巨大的能量损失、部件失效和经济损失，这促使人们开发出具有更优异摩擦学性能的材料。高熵合金（HEAs）和基于HEAs的涂层因其广泛的成分空间而成为耐磨损应用的理想候选材料，因为它们可以调节相组成、晶格畸变、第二相和表面反应性。然而，它们的摩擦学行为受到成分、加工、微观结构、温度和环境的强烈耦合效应的控制，普遍的设计原理仍未明确。本文回顾了块状HEAs、整体HEA涂层以及陶瓷增强或自润滑HEA复合涂层在耐磨损应用方面的最新进展。特别关注了从室温到高温范围内，相组成、微观结构异质性、第二相工程、摩擦氧化和保护性摩擦层如何控制摩擦和磨损。HEAs的耐磨性很少仅由硬度决定，而是由变形抗力、裂纹容忍度、氧化膜稳定性以及滑动过程中的动态表面演变共同作用的结果。此外，本文还评估了数据驱动策略，包括机器学习、分子动力学辅助的工作流程和大型语言模型辅助的材料信息学，并概述了开发低成本、基于机制且适合应用的HEAs和涂层的机会。
引言
摩擦和磨损是日常生活和工业生产中的常见现象。每当物体发生相对运动时，就会产生摩擦，而长时间的摩擦不可避免地会导致表面磨损[1]。工业生产中大约三分之一到一半的能量损失归因于摩擦和磨损[2]，[3]。在中国，由摩擦和磨损造成的年度经济损失接近GDP的1.55%。除了经济损失和能源浪费外，摩擦和磨损还会通过增加温室气体排放对环境造成重大负担[4]，[5]。因此，研究摩擦学（主要涵盖摩擦、磨损和润滑）至关重要[6]，[7]，[8]。目前，已经提出了多种减少摩擦和提高耐磨性的策略，其中专门开发的耐磨损材料在提高摩擦学性能方面发挥了重要作用。这些材料经过特殊设计，具有更高的硬度、韧性或润滑性，从而能够在高负载、高速度或极端环境条件下保持最佳性能[9]，[10]，[11]，[12]。
合金的具体成分和复杂的微观结构直接影响其物理和机械性能。与纯金属相比，合金通常具有更高的强度、硬度和韧性，这使得它们能够承受更大的载荷和冲击，这也是它们长期被使用的原因[13]。传统合金通常以单一金属元素为主要成分，并通过添加少量其他元素来优化其性能[14]。然而，现代工业的快速发展使得在役设备面临更加恶劣的运行条件。因此，现代材料必须同时满足多个严格的要求，包括高硬度、卓越的韧性、出色的耐磨性和耐腐蚀性、低摩擦系数以及稳健的高温稳定性[15]。21世纪初，Cantor和Yeh几乎同时提出了高熵合金（HEAs）的概念[16]，[17]。他们的研究代表了传统以单一主要元素为基础的合金设计范式的重大突破。
HEAs通常被视为含有多种主要合金元素的多主元素合金[18]，[19]，这些元素的浓度通常是近乎等原子比的或非等原子比的。早期的定义通常要求五种或更多种主要元素，其浓度在5%到35%之间[20]，尽管现代概念已逐渐扩展到更广泛的多主元素合金系统。由于它们的高配置熵，这些合金被称为HEAs。为了保持一致性，本文统一使用“HEA”一词。独特的高熵、缓慢扩散、晶格畸变和混合效应赋予了它们与传统合金相比全面的性能[21]，[22]，[23]，[24]，[25]，[26]。最初，人们认为高配置熵有利于形成简单的固溶相而不是复杂的金属间化合物。然而，后续研究表明，HEAs中的相形成不仅受配置熵的影响，还受到混合焓、原子尺寸不匹配、电子相互作用和动力学效应的影响。因此，现在广泛观察到包含金属间化合物的多相微观结构，并且经常有意引入这些结构以优化机械和摩擦学性能[23]，[24]，[26]。由于HEAs含有高浓度的多种元素，不同的原子在同一晶格中随机共存，导致严重的晶格畸变。晶格畸变阻碍了位错的运动，从而增强了固溶强化效果。混合效应表明，HEAs的微观结构和性能是由所添加的各种元素共同决定的，通过调整元素成分可以获得具有多种性能的合金。
根据其组成元素，HEAs主要分为三类：3d过渡金属HEAs、难熔高熵合金（RHEAs）和轻质高熵合金（LWHEAs）[27]，[28]，[29]。3d过渡金属HEAs主要包括Al、Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Ti和V。RHEAs主要包括Hf、Mo、Nb、Ta、Ti、V、W和Zr。由于RHEAs在高温下仍保持出色的强度和断裂韧性，它们有可能取代镍基超合金，成为下一代高温材料[30]。LWHEAs通常由低密度金属元素组成，如Al、Mg、Li、Ca、Ti、Si、Sc和Be，从而结合了HEAs的优点和轻金属的低密度[31]。
尽管对HEAs的研究迅速扩展，但对于为什么某些HEAs具有优异的耐磨性以及如何理性设计这种性能的理解仍然不足。现有的研究往往分散在块状合金和涂层、室温和高温条件以及不同的制备和测试方法上，难以提取出普遍的设计原则。特别是，相组成、第二相、晶格畸变、摩擦氧化和加工引起的微观结构异质性在控制摩擦和磨损中的作用尚未得到系统的整合。同时，新兴的数据驱动方法开始加速探索HEAs的广泛成分空间，但它们对摩擦学导向的合金设计的具体价值尚未进行系统的评估。更重要的是，尚未建立一个将合金成分、加工路线、微观结构状态、使用环境和磨损机制联系起来的通用设计框架，适用于块状HEAs、HEA涂层和HEA复合涂层。
在这篇综述中，我们批判性地总结了块状HEAs、HEA涂层和陶瓷增强HEA复合涂层的摩擦学性能的最新进展，特别强调了成分、微观结构与不同温度下HEAs的摩擦学性能之间的关系。我们进一步讨论了人工智能（AI）支持的设计机会和当前限制，包括机器学习（ML）、模拟辅助的工作流程和基于大型语言模型（LLM）的材料信息学（图1），这些方法大大加速了在广阔样本空间中发现HEAs的进程[32]，[33]，[34]，[35]。通过将磨损机制与相工程、加工策略和数据驱动的发现联系起来，本文旨在建立一个基于物理原理的先进耐磨损HEAs和HEA涂层设计框架。
章节片段
块状HEAs：成分、微观结构与摩擦学之间的关系
摩擦和磨损在日常生活和工业生产中普遍存在。常见的磨损形式包括磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损等[36]，[37]。磨损行为受多种因素影响，其中材料性能起着主导作用。温度、压力、工作条件和对手类型都会在不同程度上影响材料的磨损性能。常见的耐磨材料包括耐磨钢、陶瓷等。
用于耐磨保护的HEA涂层
目前，块状HEAs的成本相对较高，这主要是因为其中频繁使用Ni、Co和Cr等昂贵元素。由于HEAs的耐磨性主要取决于其表面特性，HEA涂层可以在保证功能性能的同时降低材料和制造成本[110]，[111]。此外，HEA涂层技术还能够在复杂几何形状上实现精确厚度的材料沉积。
人工智能辅助的耐磨损HEAs探索
许多研究表明，HEAs在耐磨损应用中具有巨大潜力。然而，与强度和硬度等相对标准化的性能指标不同，摩擦学行为受到多种因素共同影响，包括成分设计、加工路线、微观结构和环境介质，导致不同研究中的实验条件存在显著差异[45]，[50]，[63]，[66]，[69]，[85]。对现有研究的分析表明...
总结与展望
本文总结了耐磨损HEAs和涂层的最新进展。总之，HEAs的摩擦学优势不仅仅来自成分的复杂性，还来自相组成、微观结构异质性、变形抗力、裂纹容忍度和摩擦化学表面演变的共同调节。
CRediT作者贡献声明
唐云清：写作——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源管理、项目管理、方法论、研究、资金获取、概念化。陈键昂：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、研究、数据管理。刁贵江：写作——审稿与编辑、研究、数据管理。李东阳：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、研究、资金获取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52305203）、山东青年科学家优秀人才基金（海外）（编号：2024HWYQ-003）、山东大学高效清洁机械制造重点实验室、教育部（编号：2025-SDU-ME-04）、山东省双百人才计划（编号：WSR2023047）以及广西制造系统与先进制造技术重点实验室（编号：GUIKE AD25069080）的支持。
唐云清|陈键昂|刁贵江|李东阳
