图1 利用不同颜色的圆圈 ， 描述了传统合金和高原子化合金的原子结构差异 ， 其中高原子化合金由五个核心元素(混合后的高构型熵)组成 ， 而传统合金只包含一个主元素 。
另一方面 ， Brain Cantor和Alain Vincent将不同的元素按相同比例混合制成了各种合金 ， 其中包括一种由20种元素组成的合金 ， 每种元素的比例为5% 。 结果表明 ， Fe20Ni20Co20Cr20Mn20是唯一具有FCC固溶体的合金 。 首先 ， HEAs被定义为至少由五种主元素以等原子或接近等原子比率组成的合金 。 然而 ， 随着第二代HEAs(见图2)的发展 ， 这一概念现在已经被拓宽 ， 第二代HEAs包括了含有非等摩尔比和多相结构的四种主元素的合金 。
图2 合金体系的演化和特征涉及到传统合金向含至少五种等摩尔比元素和单一固溶体的第一代HEAs的转变 。 随着这一领域的研究工作的不断深入 ， 制备出了至少由四种元素组成的第二代HEAs ， 并观察到了双相结构 。
用来说明HEAs的一些基本原理是:(i)对于HEAs ， 构型熵的增加产生了形成固溶相所需的吉布斯自由能 。 该能量应大于或等于1.5 R ， 其中R为气体常数(见图3);此外 ， 熔点附近的原子无序使元素溶解度增加 ， 使固溶相稳定 ， 从而防止了脆化 。 (ii)由于HEAs中不同元素的原子半径不同 ， 导致晶体结构发生扭曲 ， 使硬度升高 ， 导热系数降低 。 (iii)晶体结构中集成了多种元素 ， 不同势能的扩散导致扩散动力学缓慢 ， 这使得HEAs能够提供高温电阻 。 由于原子之间的相互作用 ， 形成了一种具有很大不确定性的增效结合 。 结果表明 ， 合金的最终性能优于参与元素的各项性能 。
图3 根据基于熵的定义对合金体系进行分类 ， 其中HEA的混合构型熵(ΔSconf)为>1.5 R (R?=?8.3143?J/mol?1?K?1) 。
随着对HEAs研究的不断深入 ， HEAs不仅具有良好的耐腐蚀性能、高疲劳强度、超细组织、高抗氧化性、热稳定性、储氢能力、高抗辐照性、磁性能、屈服强度、超导性、高硬度、高应变淬透性、断裂韧性、生物相容性、在室温和高温下具有优异的耐磨性 。 由于扩散迟缓、高熵、混合效应和晶格畸变等因素的综合影响 ， HEAs中多主元的存在有助于获得更好的机械性能 。 HEAs的发现扩大了材料科学和冶金学结合的前景 ， 因此 ， 可以制造出挑战当前设计实践的高端要求的材料 。
1．1. HEAs的加工技术
如图4a ， 通过三条主要路线制造HEAs：液体混合 ， 固体混合 ， 气体混合 。 液体混合可通过感应熔炼、电弧熔炼、激光熔炼、热喷涂和激光熔覆等方法制备高分辨高能微粒体 ， 气体混合可通过磁控溅射、原子层沉积、气相沉积和脉冲激光沉积等方法制备高分辨高能微粒体 。 HEA块体材料通常是通过机械合金化(固体混合) ， 随后火花等离子烧结或感应熔炼或电弧熔炼技术 ， 然后再铸造而成 。 在熔炼工艺中 ， 为了使合金组织均匀 ， 必须对合金进行多次重熔 。 为了抑制固溶相中IMC的生长 ， HEAs不仅需要较高的淬灭速率 ， 而且还需要较高的淬灭速率 。 因此 ， 一些特殊复杂几何形状的HEAs不能用传统的加工路线加工 。 近年来 ， 各种合成薄厚膜HEA涂层(HEAC)技术如磁控溅射 ， 冷喷涂 ， 等离子喷涂 ， 高速氧燃料(HVOF)喷涂 ， 等离子转移弧熔覆 ， 电沉积 ， 化学镀 ， 采用化学气相沉积、物理气相沉积 。 然而 ， 由于基板和涂层之间的冶金附着力较差 ， 这些方法很少被应用 。 此外 ， 这些表面改性技术由于其较小的厚度提供了快速的淬火速度 ， 这种快速冷却不仅阻止了元素的扩散 ， 而且还限制了IMCs的生长 ， 而IMCs是固溶相发展所必需的 。 为了克服这些缺点 ， 采用了激光沉积方法 ， 特别是激光熔覆(LC) ， 其方向性好 ， 相干性高 ， 能量密度高 ， 温度高 ， 可熔化基板 ， 形成良好的界面结合 。
图4 (a)激光包覆属于液体混合范畴的HEAs合成路线;(b)根据元素类型对LC-HEACs进行分类 。
１．２． HEA原料的制备路线
不同类型的技术用于粉末的合成 ， 作为激光处理技术的原料 。 这些技术包括机械合金化、气体雾化、机械混合和电弧熔化HEA粉末的机械铣削 。 机械合金化又称高能球磨 ， 用于制备激光熔覆层用的HEA粉末 。 该技术使HEA粉末高速旋转 ， 粒子通过高能撞击 ， 使粉末破碎成更小的尺寸和原子混合 。 虽然 ， 这种技术需要优化工艺参数 ， 以实现更高贵的包层 。 Wen等在惰性气氛下利用高能球磨将ni1.5 crcofe0.5 mo0.1 nb0.8基共晶HEA粉末混合后 ， 通过LC技术沉积到SS316L上 。 机械合金化获得的均匀的元素和稳定的尺寸分布表现出优异的耐磨性 。
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