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2026 年第 3 期
DOI10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20260366
现今社会,科技发展迅速,而对材料性能的探索
也从未停止,尽管碳素结构钢仍是人们使用最为广
泛的金属材料,但在机械零部件的关键部位,钢结构
的性能已在很大程度上无法满足实际使用要求。传
统的碳素结构钢在很长一段时间内很难取得重大突
破。2004 年,随着叶均蔚等人[ 1 ]提出了高熵合金的
概念,高熵合金材料进入学者们的视野。该体系是由
5 种或 5 种以上等原子比或近等原子比的主要元素
组成的 BCC 和 FCC 结构(图 1每种元素的原子百
分比在 5%~35%之间,混合熵大于 1.61R J·mol·K-1
R 为气体常数)。
高熵合金的组织与性能受到四大效应的共同影
响[ 2 ],其中高熵效应使其倾向于形成简单的固溶体
相,迟滞扩散使得相变进程减缓,晶格畸变在一定程
度上使其结构的性能发生改变,鸡尾酒效应可通过
多种元素的复合,使合金获得优异的综合性能;正是
由于这些特性,高熵合金具有比传统合金更高的强
度、硬度以及优异的耐蚀、耐磨等性能,这对于高熵
合金的研究及发展具有重要意义。本文通过介绍常
用的高熵合金的制备方法,如电弧熔炼法、表面熔覆
技术和增材制造技术,以及增材制造用粉的制备方
法,如机械合金化、等离子体旋转电极雾化、等离子
球化技术,并对高熵合金的应用前景进行展望。
高熵合金制备及应用研究进展*
宫书林,李艳春,张 煜,宋美慧,李 岩
(黑龙江省科学院 高技术研究院,黑龙江 哈尔滨 150000
摘 要:本文对高熵合金及其粉体的制备方法、高熵合金的力学性能、耐蚀性和热稳定及抗氧化性进行了
综述,并对高熵合金的应用前景进行了总结和展望。为进一步丰富高熵合金的制备技术及优化合金性能提供
了理论依据。
关键词:高熵合金;增材制造;热等离子球化;力学性能
中图分类号TB331 文献标识码A
Research progress on the preparation and application of high entropy alloys*
GONG Shu-linLI Yan-chunZHANG YuSONG Mei-huiLI Yan
Institute of Advanced TechnologyHeilongjiang Academy of SciencesHarbin 150000China
Abstract:This article reviews the preparation methods of high -entropy alloys and their powdersand the
mechanical properties, corrosion resistance, thermal stability, and oxidation resistance of high-entropy alloys, and
summarizes and prospects their application potential. it also provides a theoretical basis for further enriching the
preparation technologies of high-entropy alloys and optimizing the alloy properties.
Key words:high entropy alloys; additive manufacturing; thermal plasma spheroidization; mechanical properties
收稿日期2025-10-22
基金项目黑龙江省省属科研院所科研业务费项目CZBZ202608001
黑龙江科学院所能力提升专项YSTS2025GJS01
作者简介宫书林1997-研究实习员2023 年毕业于黑龙江科
技大学材料科学与工程专业,硕士研究生,现从事金属增
材制造方向。
通信作者李艳春1981-),女,硕士,副研究员,研究方向:高熵合金
复合材料。
图 1 5 种主元的固溶体模型BCC 结构aFCC 结构b
Fig.1 Solid solution model of five principal components:
aBCC structure;bFCC structure
aBCC 结构
B
C
A
D
E
A
E B
D
bFCC 结构
E
C
D
A
A
B
E
B
C
A
C
B
E
D
Sum 366 No. 3
化 学 工 程 师
Chemical Engineer 2026 年第 3 期
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2026 年第 3 期
1 高熵合金及其粉体的制备
1.1 高熵合金的制备
1.1.1 电弧熔炼法 目前,高熵合金的制备主要采
用电弧熔炼法,在电能的作用下,电极与物料间通过
产生的电弧来熔炼金属[ 3 ],该方法的优势在于可使
各元素充分混合,在熔炼过程中不易氧化,被污染的
几率更低。然而合金成分复杂多样,且各元素的熔点
存在差异,因此,在组织中会存在明显的元素偏析,
需要进一步处理。此方法会存在缩孔、缩松等铸造缺
陷,组织较为粗大;同时,受熔炼环境的限制,熔炼的
合金锭形状简单,尺寸较小,难以满足复杂结构及大
尺寸产品的制备需求,这些也限制了高熵合金在实
际生产生活中的应用[ 4 ]。
1.1.2 表面熔覆技术 表面熔覆技术是通过热源对
涂层粉末的辐照,使其快速熔化与基体形成冶金结
合,最终获得性能显著优异于基体表面的涂层。高熵
合金涂层的制备主要有激光熔覆、等离子熔覆等方
法。在表面改性技术中激光熔覆的应用最为广泛,因
此,学者们开始将高熵合金材料的高强度、高硬度等
优异性能与熔覆技术结合,发挥各自的优势[ 5 ]。与电
弧熔炼制备块体高熵合金材料相比,该方法制备的
涂层具有组织更均匀、更细小、结构更致密等特点,
且熔覆层对基体的热影响小,二者的冶金结合性更
优[ 6 ]。此外,激光熔覆的自动化水平高、工艺参数可
调数量多、熔覆层缺陷少,激光能量密度越低,涂层
晶粒尺寸越小,颗粒越细,性能越好[ 7 ]。有学者利用
氩弧熔覆技术制备了 AlCuFeNiCoSi 高熵合金涂层,
硬度最高可达 62.5HRC。
1.1.3 增材制造技术 随着增材制造技术的发展,
其应用更为广泛,金属增材制造可分为两大类:粉末
床融合技术PBF和直接能量沉积技术DED
图 2[ 8 ]。这也为高熵合金成形构件的制备提供了新
的思路,该技术将三维模型进行二维切片处理,以逐
层堆积的方式制备目标材料[ 8 ]。增材制造理论上可
实现任意复杂形状材料的成形,实现多构件组成零
件的一体化制造,进而减少材料的浪费,缩短制备周
期,具有更灵活的设计,能够进行定制化加工[ 9 ]。同
时增材制造还具有加热速度和冷却速度快、熔池尺
寸小的特点[ 10 ],可使高熵合金粉末在极短的时间内
完成熔化和凝固过程,因此制造的高熵合金晶粒尺
寸细小、元素分布均匀,强度远高于铸件[ 11 ]。
1.2 高熵合金粉体的制备
增材制造所打印出来的零件,其品质和性能取
决于粉末的性质。如果粉末质量较差,打印过程中就
会产生气孔、裂纹等缺陷。粉末质量受到球形度、粒
径大小、粉末流动性、松装密度和振实密度等因素影
响。机械合金化和雾化法是制备高熵粉末的常用方
法,其中雾化法包括水雾化法 WA、气雾化法
GA、等离子雾化法PA及等离子旋转电极雾化法
PREP
1.2.1 机械合金化法 机械合金化是通过金属粉末
在球磨机中高速转动,其与粉末、罐壁之间相互碰
撞,使得混合粉末发生原子间扩散,进而获得合金化
粉末的方法[ 12 ],同时也是制备纳米高熵合金的主要
手段。球磨过程中通过破碎粗大晶粒,优化内部组织
成分均匀性,从而使其机械性能得到改善。但该方法
存在机械合金化过程时间长、球形度差、加工过程中
易引入杂质等问题,不适合大批量制备。
1.2.2 等离子体旋转电极雾化法 等离子体旋转电
极雾化法的技术原理见图 3该方法以等离子炬为
热源,以金属或合金棒料为自耗电极,棒料在高速旋
转过程中,其端面熔融金属液流在离心力作用下被
甩出,并在惰性气体中快速冷却凝固为金属粉末。此
过程无需坩埚,且有高纯惰性气体保护,制粉环境洁
净,可获得高纯度金属粉末,适用于高性能粉末的制
备[ 13 ]。同气雾化工艺相比,其具有工艺参数简单、粉
末表面光滑、制粉效率高等优势。
宫书林等:高熵合金制备及应用研究进展*
图 2 金属增材制造示意图
Fig.2 Schematics of metal additive manufacturing
b直接能量沉积技术
喷嘴
送粉
基体
三维构件
送丝
高能量束
(激光 / 电子束)
a粉末床融合技术
粉末床
高能量束
(激光 / 电子束)
熔池
三维构件
基体
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宫书林等:高熵合金制备及应用研究进展* 2026 年第 3 期
1.2.3 热等离子体球化法 热等离子体球化TPS
是利用温度高、能量密度大、传热及冷却速度快的等
离子体,将粉末颗粒瞬间加热至熔化或半熔化状态,
借助表面张力收缩成球形,随后快速冷却成球形颗
粒。其优势在于球化过程中颗粒飞行时间长、产品无
污染、操作模式连续、粉末球形度高、气体流速低及
工作功率低等。由于无电极烧损产生的污染,该方法
适用于难熔和高纯粉末球化工艺。通过射频电磁场
相互作用产生等离子体,使粉末熔化并缩聚成球的
技术称为射频等离子体球化。王繁强等人[ 14 ]将机械
合金化与射频等离子球化相结合制备 WMoTaNbV
高熵合金粉末,球磨过程中得到单一 BCC 相的高熵
粉末,而粉末呈扁平状,同时粉末中氧、碳杂质含量
相应增加,经过球化处理后,其粉末球化形貌及元素
分析见图 4。粉末中的氧、碳含量显著降低这是由
于碳化物经高温分解且与吸附于粉末中的氧反应后
挥发,从而降低了杂质含量。经等离子体球化后粉末
具有流动性良好、振实密度高、氧含量低等特点。
2 高熵合金的性能
2.1 力学性能
由于高熵合金中的元素与传统固溶体结构不
同,无溶剂和溶质之分,同时合金中主元原子半径相
差很大,使晶格存在显著畸变,因而固溶强化的作用
明显,进而使涂层具有较高的强度和硬度。这也是采
用激光作为热源制备的高熵合金具有较高硬度和耐
磨性的原因之一。激光熔覆技术兼具快速加热与高
冷却速率的特点,可有效提高形核率,使涂层组织的
晶粒更为细小。而优化元素的配比并进行适当热处理
对提高涂层的硬度、耐磨性有一定改善。He 等人[ 15]在
Q235 钢上制备 FeCoCrNiAlTix 复合涂层,涂层的硬
度曲线见图 5x=1 时平均硬度可达到 966.29 HV
随 Ti 含量的增加,其摩擦系数和磨损量有所降低,
耐磨性能得到了改善,主要磨损机理为磨粒磨损。
Joseph 等人 [ 16 ] 采用 DLF 制备 AlxCoCrFeNi 高熵合
金,晶体结构发生 FCC→FCC+BCC→BCC 的转变;
随着 Al 浓度的增加,体系的强度明显提升,其中
Al0.85 强度最高,这是由于自旋分解形成的密集沉淀
导致沉淀硬化效应所致。
熔覆过程中,涂层会析出纳米晶和金属间化合
物,产生弥散强化效应。与激光热源具有加热快、冷
却快的工艺特点结合,可达到协同增效的效果,进一
步提升涂层的综合性能。Guo 等人[ 17 ]在 904L 钢表面
通过原位析出 TiN 颗粒,优化了 CoCr2FeNiTi 复合涂
层,结果表明,随着 Ti 元素的增加,涂层由不规则的
树枝状、粒状的 TiN 以及少量 Laves 相组成,图 6 为
CoCr2FeNiTi0.5 涂层的 TEM 分析结果,可以看出 TiN
颗粒相与基体形成冶金结合,结合区域无微裂缝或
孔洞;较大原子半径的 Ti 原子溶解到固溶体中,引
发晶格畸变,进而提高了涂层的硬度。
图 4 粉末球化形貌和元素分析
Fig.4 Morphologies of powder after spheroidization
and element analysis
100μm 20μm
20μm
W Mo Ta
Nb V 20μm
元素 组分 /at.%
W
Mo
Ta
Nb
V
14.98
16.99
26.39
24.30
17.35
图 3 PREP 技术原理
Fig.3 Schematic diagram of PREP technology
电机
旋转电极(阳极)
Ar/He 气
飞溅熔滴
Cu阴极
圆形喷嘴 熔池
等离子弧
附加 Ar/He 气流
防火海绵
烧杯
粉末
真空泵
图 5 FeCoCrNiAlTix 涂层的显微硬度
Fig.5 Microhardness of FeCoCrNiAlTix coatings
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
度 /H
V
0 200 400 600 800 1000 1200
距离 /μm
x=1
x=0.75
x=0.50
x=0.25
x=0
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2026 年第 3 期
2.2 耐蚀性
2.2.1 合金元素对高熵合金耐蚀性的影响 我国每
年因腐蚀而造成的经济损失占比很大,制备具有更
优异的耐蚀材料、延长结构的使用寿命具有重要意
义。与传统的合金不同,高熵合金基本由单相或两相
组成,一般不存在多相组成。传统合金相组成较为复
杂,不同相之间存在电位差,在导电环境中易形成微
电池,从而使材料的耐蚀性能降低。采用激光熔覆制
备高熵合金涂层时,通常微量元素的加入或调节某
种元素加入的量,是提高耐蚀性的主要手段。设计高
熵合金粉末成分时,通常会加入如 Ni、Cr、Mo、Co、Ti
等耐蚀元素,使高熵合金在 HNO3、H2SO4、NaOH 和
NaCl 等多种腐蚀介质中能表现出良好的耐腐蚀性
能[ 18 ]。杨海欧等人[ 19 ]在 3.5%NaCl 溶液中,研究了单
相 CoCrFeNi 高熵合金中各组成元素对合金耐腐蚀
性能的影响。图 7 为合金体系在 3.5%NaCl 溶液中
的动电位极化曲线,当 Co、Cr 含量固定,增加 Fe 含
量并减少 Ni 含量,可降低电流密度,提升耐蚀性;当
Cr 含量不变,减少 Co、增加 Fe 及 Ni 含量时,自腐蚀
电位提高,腐蚀倾向降低。
2.2.2 激光热源对高熵合金耐蚀性的影响 高熵合
金具有高混合熵效应,同时激光熔覆具有快热快冷
的特点,在二者协同作用下,制备的涂层易于形成致
密均匀的简单组织,晶界处的杂质较少,且会改善成
分偏析,从而抑制微电池的形成,减弱腐蚀倾向,耐
腐蚀性能优于传统合金。库岩涛等人[ 20 ]采用选区激
光熔化技术,制备了不同工艺参数的 AlCoCrFeNi2.1
共晶高熵合金,图 8 为试样微观组织的 TEM 形貌,
涂层以层片状为主,少部分存在胞状,胞内为 B2
相,胞壁为 L12 相。当激光能量密度为 180J·mm-3
时,试样耐蚀性较好。这是因为纳米级层片更细小,
可形成致密的钝化膜,阻碍 Cl等腐蚀性离子侵蚀涂
层表面。该钝化膜与基体紧密结合,能有效抑制微电
池腐蚀,增强抗腐蚀能力。
2.2.3 热处理对高熵合金耐蚀性的影响 高熵合金
在制备过程中,会出现残余应力、元素偏析、气孔等
缺陷,这些缺陷会影响高熵合金的耐蚀性,通过适当
的热处理工艺,可调整节熵合金的化学成分分布、均
匀组织、细化晶粒、消除内应力等[ 21 ],进而改善缺陷
带来的不利影响,提升高熵合金的耐蚀性能。蒋淑英
等人[ 22 ] 制备 AlCoCrFeNi 高熵合金并进行退火处
理,对比铸态与退火态高熵合金的耐腐蚀性能发现,
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
EvsSCE/V
Co20Cr20Fe20Ni40 1
Co20Cr20Fe30Ni302
Co20Cr20Fe40Ni203
Co26.67Cr20Fe26.67Ni26.67 4
Co30Cr20Fe20Ni305
Co30Cr20Fe30Ni206
Co40Cr20Fe20Ni207
a动电位极化曲线
10-5 10-4 10-3 10-210-1 100 101 102 103 104 105
i/A·cm-2
图 7 CoaCr20FebNi80-a-b 体系在 3.5%NaCl 溶液中
的动电位极化曲线
Fig.7 Potentiodynamic polarization curves
of CoaCr20FebNi80-a-b system in 3.5%NaCl solution
1.4 ba局部放大图
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
EvsSCE/V
2
6
7
5
1
4
3
10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104
i/A·cm-2
图 8 微观组织的 TEM 图像
Fig.8 TEM micrographs of the dual-phase structure
a横向双相结构
500nm
b纵向双相结构
500nm
BCC/B
FC
2
C/L12
FCC/L1
B
2
CC/B2
宫书林等:高熵合金制备及应用研究进展*
图 6 CoCr2FeNiTi0.5 涂层的透射图像
Fig.6 TEM micrograph of CoCr2FeNiTi0.5 coating
TiN
a微观结构
1μm
bTiN 颗粒衍射花样
022
200 400
022
2 nm
c高分辨透射形貌
111
2nm
d傅里叶变换后的衍射花样
FTT
111
020
000111
111
Z=101
1
n
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2026 年第 3 期
在3.5%NaCl 溶液中1000℃退火态的合金耐蚀性最
好;在 0.5mol·L-1 H2SO4 溶液中,各状态合金均出现
钝化现象,在 1000℃退火时电流密度最小耐蚀性
最优。Li 等人[ 23 ]制备了 FeCoCrNiMn 高熵合金涂层,
经过 800℃退火后发现Mn 扩散至晶内,缓解了其
在晶界处偏析,使元素分布更均匀,通过减少局部腐
蚀微电池,使得钝化膜成分更稳定。同时钝化膜中
Cr、Ni、Co 的富集也增强了膜的保护性能。
2.3 热稳定及抗氧化性能
高熵合金在高温下依然能维持相结构与性能稳
定,表现出优异的抗高温氧化性能,这主要归因于迟
滞扩散效应降低了其扩散系数,即便在高温下,扩散
系数仍较低。为提升高熵合金的高温抗氧化性能,通
常添加 W、Ta、Zr、Si、Al 等合金元素,其加入会形成
致密氧化膜,有效防止氧的扩散,从而改善涂层的抗
氧化性能。Wang 等人[ 24 ]对 NixCo0.6Fe0.2CrySizAlTi0.2 涂
层在 1100℃保温 10h 处理后,涂层硬度仍然很高,
最高可达 964 HV。
3 高熵合金应用
由于高熵合金具有优异的力学性能、耐蚀性能
及耐高温性能,因此,在车辆装备领域、耐磨刀具材
料领域、焊接领域、生物医用材料领域、核工业领域
等均具有潜在应用价值。
3.1 车辆装备领域
在车辆装备领域,高熵合金具有一定应用潜力。
可采用轻质高熵合金材料替代传统的汽车所需的结
构材料(如轿车结构板、轴承用钢等),同时也可替换
零部件材料(如曲轴、变速箱等),发挥其轻量且高强
度的优势,显著提升车辆的可靠性,同时满足轻量化
使用要求[ 25 ]。
3.2 耐磨刀具领域
制备各类耐磨涂层或刀具材料时,传统合金不
能满足高速切削的使用需求。为提升传统刀具材料
在高速切削下的性能,可通过设计高熔点的高熵合
金涂层成分,利用激光熔覆技术对传统刀具材料进
行改性,使刀具在高速切削下仍具有优异的耐磨性、
很高的硬度、良好热稳定性、抗高温软化性以及优
良的断屑效果,进而提高被加工材料的表面光洁
度[ 26 ]。
3.3 焊接领域
高熵合金在焊接领域发挥着独特的作用,可作
为焊接填充材料,用作两种合金之间的中间层,获得
以固溶体相为主的焊缝,防止金属间形成化合物,通
过固溶强化来提高焊接接头的使用强度[ 27 ];同时,
因其具有耐高温性能、较高的抗压强度以及耐腐蚀
性能,常作为高温材料应用于耐火钢结构骨架及高
温设备中。
3.4 生物医用领域
作为医用材料,具有生物相容性的无毒或低毒
元素是最重要的条件。根据不同元素在医用材料中
的作用,适时调整医用高熵合金材料元素成分并进
行合金化设计,从生物安全性、生物相容性角度出
发,改善传统材料引发的不良反应,在临床实践方面
具有广阔的应用前景[ 28 ]。
3.5 核工业领域
含有高熔点难熔金属元素的高熵合金,在核工
业领域具有巨大的潜在价值,其不仅具有良好的抗
辐照损伤能力,还展现出优异的高温强度及可调控
的耐蚀性。这些突出性能是核反应堆结构材料安全
服役的重要保障[ 29 ]。
4 总结与展望
高熵合金与传统合金相比具有更优异的性能,
成为近些年材料领域的研究热点。然而,采用传统的
电弧熔炼法制备高熵合金,易产生成分偏析、缩孔、
缩松等铸造缺陷,且铸造的合金形状简单、尺寸较
小,难以制备结构复杂、尺寸较大的产品;而以激光
为热源的表面改性技术,可使涂层组织更均匀细小、
结构致密,且激光熔覆的自动化水平高、工艺参数可
调范围广、熔覆层缺陷少。
增材制造技术的发展为高熵合金的制备提供了
新思路。增材制造理论上可实现对任意复杂形状材
料的成形,实现多构件组成零件的一体化成形,进而
减少材料的浪费,缩短制备周期,具有更灵活的设计,
能够进行定制加工,制备出的构件性能优于铸件。
目前,学者们通过调控工艺参数、优化成分设
计,对打印件的质量及性能优化开展了大量基础性
研究,然而就合金粉末质量对打印件的影响研究较
少,对此,通过机械合金化或等离子体旋转电极雾化
等制得的粉末,经等离子球化实现细化球化,进而优
化合金粉末的质量、提高打印件性能,是未来较为广
泛的研究方向;另一方面,对高熵合金在严苛的服役
环境下的应用研究较少,因此,可结合计算机模拟技
术,对其在严苛环境中的服役情况进行预测,进一步
拓宽材料的应用范围。
宫书林等:高熵合金制备及应用研究进展* 70
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2026 年第 3 期
参 考 文 献
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