高熵合金（或多主元合金）的概念于2004年被提出，相关研究发现，多种元素按近/等原子比例混合后得到的合金并未形成复杂的金属间化合物，而是形成了简单的固溶体结构。高熵合金的出现打破了传统合金以混合焓为主的设计理念，为新材料的研发打开了一个广阔的成分设计空间。高熵合金可在国防、航空、航天等多个关键领域得到应用，目前我国大多数高熵合金材料的研究仍停留在实验室阶段，工业化推广进程极为缓慢。轻质高熵合金凭借其高比强度、高比硬度的优势，在航空、航天、能源、交通等领域具有应用潜力，被众多学者广泛研究。目前所开发的轻质高熵合金根据密度分为以下两类：一类是由Al、Be、Li、Mg、Sc、Si、Zn、Ti等轻质元素组成的超低密度轻质合金；另一类是由Ti、Zr、V、Nb、Al、Cr等元素组成的低密度轻质高熵合金。超低密度轻质高熵合金指密度介于铝合金和钛合金之间的高熵合金，元素构成通常以Al元素为主，如Al80Li5Mg5Zn5Cu5铝基高熵合金密度为2.88 g/cm3，具有良好的综合力学性能，抗拉强度为674 MPa，塑性为7.5%。低密度轻质高熵合金一般指密度介于钛合金和钢的高熵合金。这类合金通常以Ti元素作为主要元素，与超低密度轻质高熵合金相比表现出更好的综合力学性能，如(Zr0.5Ti0.35Nb0.15)80Al20合金密度低于6 g/cm3，屈服强度高达1800 MPa，具有8%的延伸率。虽然轻质高熵合金具有低密度、高强度、高硬度等众多优异性能，但目前的研究主要集中于室温准静态力学性能方面。未来应进一步扩展其研究范围，如轻质高熵合金的动态力学性能、高温力学性能、断裂韧性等。此外，目前大多数轻质高熵合金普遍存在室温脆性的问题，未来如何通过成分设计获得具有拉伸塑性的轻质高熵合金，是科研工作者们需要攻克的难题。耐高温难熔高熵合金主要由元素周期表中ⅣB、ⅤB与ⅥB族的Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W等高熔点的难熔元素组成，有时也添加Al、Si、Co、Ni、O、N等非难熔元素调控合金的微观组织与综合性能。耐高温难熔高熵合金最大的特点是具有优异的高温屈服强度与高温相稳定性。已有研究发现，耐高温难熔高熵合金在超过1000 ℃的温度区间具有远超现有的Inconel-718与Haynes-230镍基高温合金的屈服强度。VNbMoTaW合金在1600 ℃的屈服强度超过400 MPa；同时，该合金经过1400 ℃、19 h的长时间退火，仍可以保持体心立方（BCC）无序固溶体结构，具有优异的相结构热稳定性。耐高温难熔高熵合金得益于上述优点，成为受关注程度较高的一类高熵合金。耐高温难熔高熵合金作为高温结构材料展现出巨大的潜力，但其严重的室温脆性限制了材料的工业化应用。例如，美国开发的第一代难熔高熵合金（NbMoTaW与VNbMoTaW合金）在室温条件下仅有约2%的压缩应变率，断口形貌表现为典型的脆性解理断裂特征。目前仅有TiZrHfNbTa系及其衍生的难熔高熵合金可以在准静态拉伸条件下具有一定的延伸率，但仍远不能满足先进工程材料对安全性与可加工性的巨大需求。因此，如何有效提高其室温塑性是难熔高熵合金未来发展的首要目标。此外，耐高温难熔高熵合金作为一种潜在的高温合金，其较差的抗氧化性能也是限制其进一步发展的瓶颈问题。大多数难熔元素在氧化过程中无法形成有效的保护层，如Nb2O5和Ta2O5氧化物的致密度低，容易从基体表面剥落；V2O5氧化物在690 ℃以上易挥发，MoO3氧化物在793 ℃以上易挥发，从而使合金表面失去保护，发生灾难性氧化。从氧化热力学角度来看，氧化物的形成能越低越稳定，其中Al2O3和Cr2O3的形成能较低，容易形成连续致密的氧化层，从而阻止合金基体被进一步氧化。因此，可以在难熔高熵合金中添加Al和Cr等抗氧化元素，形成致密的氧化层，改善合金的抗氧化性能。目前暂无兼具优异力学性能和抗氧化性能的难熔高熵合金牌号，如何通过成分/工艺调控难熔高熵合金的微观组织和性能是该领域未来亟需解决的难题。在特定情况下，材料在实际应用中会受到酸、碱、海水等环境的考验，这些恶劣的服役环境会对材料本身造成极大的破坏，进而降低材料的使用寿命，同时引起安全隐患。因此，耐腐蚀高熵合金的研究是一个至关重要的课题。目前的研究表明，高熵合金相较于传统耐腐蚀材料（如不锈钢、铜合金、铝合金等）具有更加优异的综合耐蚀性能，未来有望作为极端环境下服役的耐腐蚀材料。耐腐蚀高熵合金的优势在于其不仅具有优异的耐腐蚀性能，还能在结构力学及其他功能应用方面满足工程应用对材料的要求。我国目前设计了一种单相BCC结构的耐腐蚀软磁高熵合金(Fe2.25Co1.25Cr)94Al6，该合金在表现出优异的软磁性能的同时，还具有优异的耐腐蚀性能，其点蚀电位是传统304不锈钢的2倍，在海水环境中能有效保护材料自身不受海水侵蚀破坏，有效解决了磁性材料在腐蚀环境中的使用难题。高熵合金广阔的元素调整空间带来的“鸡尾酒效应”，为设计高耐腐蚀性能提供了途径。我国设计了兼具优异力学性能和耐腐蚀性能的面心立方（FCC）结构的Fe40Ni20Co20Cr20高熵合金，该合金的抗拉强度超过600 MPa，断裂塑性达到70%；在0.1 mol/L的H2SO4溶液环境中，多种元素产生协同作用，形成了致密钝化膜，表现出远优于316L不锈钢的耐腐蚀性能，实现了力学性能和耐腐蚀性能的结构‒功能一体化。多相结构同样具有良好的耐腐蚀性能，如一种成分为FeCrNiCoNb0.5的耐腐蚀共晶高熵合金。该合金具有纳米级尺寸的超细共晶结构，在腐蚀过程中能够形成稳定的钝化膜；同时，该合金的钝化膜具有自修复能力，在1 mol/L NaCl溶液中表现出良好的耐腐蚀性能，其钝化膜宽度为304不锈钢的3倍，耐腐蚀能力优于不锈钢、铝合金、钛合金、镍合金等传统耐腐蚀材料。高熵合金耐腐蚀涂层也受到了广泛的关注。我国的研究人员利用激光熔覆技术在304不锈钢基体表面制备了FeCoCrAlNi高熵合金涂层，涂层的硬度是原基体合金的3倍。在3.5 wt.% NaCl溶液中的腐蚀试验结果表明，FeCoCrAlNi高熵合金涂层能有效提高合金的耐腐蚀性能和抗点蚀性能。利用激光熔覆技术在Ti-6Al-4V表面制备TiZrAlNbCo涂层，结果表明，该涂层不仅能够有效提高合金的硬度，还使该合金在3.5 wt.% NaCl溶液的腐蚀电流密度降低为3.66×10-9 A/cm2。利用磁控溅射技术制备的一种成分均匀的单相FCC高熵合金涂层FeAlCuCrCoMn，其电化学实验结果表明，该涂层材料在3.5 wt.% NaCl和5 wt.% NaOH、10 wt.% H2SO4溶液中的耐腐蚀性能均优于201不锈钢。涂层技术的应用为耐腐蚀高熵合金的发展提供了新的方向。因此，耐腐蚀高熵合金涂层材料表现出广阔的应用前景。高熵合金可以根据生物医用的需求，选择特定的合金化元素，从而赋予其特殊的生物医用功能特性。此外，高熵效应和晶格畸变效应也赋予了生物医用高熵合金良好的强度、硬度、耐腐蚀性能、耐磨性、生物相容性以及抗菌性能。目前，对生物医用高熵合金已经有了一定的研究。根据功能不同，生物医用高熵合金可以分为植入型高熵合金和抗菌型高熵合金两类。植入型高熵合金如Ti21.67Zr21.67Hf21.66Ta35具有良好的生物相容性，杨氏模量为93 GPa，屈服强度达到1050 MPa，断裂延伸率为12.7%，具有较好的综合力学性能。具体来看，土耳其研究人员研究了Ti77.11Ta6.54Hf6.63Nb12.73植入型高熵合金的冲击断裂行为，冲击能量达到了14.8 J；我国研究团队开发的TiZrNbTaMo植入型高熵合金具有高达1390 MPa的屈服强度，同时耐腐蚀能力可以媲美Ti6Al4V合金，优于316L不锈钢与CoCrMo合金。抗菌型高熵合金通常会添加具有广谱抗菌性的Cu、Ag等元素。我国研究人员研发了具有良好力学性能的Al0.4CoCrCuFeNi抗菌型高熵合金，其屈服强度（318 MPa）几乎是304含铜不锈钢（Cu-SS）的两倍，更重要的是其抗菌率高达99.9%。此外，我国研发的Co0.4FeCr0.9Cux（x=0.3、0.5）抗菌型高熵合金具有优异的综合性能，包括抗菌性能优秀（抗菌率高于99.95%），耐蚀性和力学性能优异。尽管生物医用高熵合金已经做了很多研究工作并取得了一些开创性的研究成果，但目前还存在如下问题有待解决：设计的生物医用高熵合金主要是铸态的，后续应该进一步进行热加工处理以确保其组织成分均质化；生物医用高熵合金的性能研究还不全面，未来应针对特定的需求，进行全方位的生物学评估。高熵合金因其突出的力学性能、高温性能以及耐辐照性能，成为了有竞争力的核反应堆关键部件候选材料。在燃料包壳材料、反应堆压力容器、第一壁材料、反应堆管道材料领域等具有广阔的应用前景，目前国内外很多知名科研机构开展了耐辐照高熵合金方面的研究。高熵合金在耐辐照性能的表现优于传统合金。美国研究人员发现，NiCoFeCrMn等多主元高熵合金经过离子辐照后，仅形成小尺寸的孔洞，相比单质Ni和二元NiCo合金具有更好的耐辐照性能。我国研究人员研制的Ti2ZrHfV0.5Mo0.2高熵合金经过氦离子辐照后几乎不发生辐照硬化，并出现了反常的晶格常数减小的现象。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室设计的W38Ta36Cr15V11高熵合金经氪离子辐照后，合金内无辐照位错环的出现，并且合金硬度几乎不发生变化。已有研究发现，在高熵合金中添加间隙元素可以增强高熵合金的化学短程有序，进而提高其耐辐照能力。CoCrFeNiMn系高熵合金相对于纯金属镍具有更强的抗氦泡生长特性，并且随着主元数的增加，氦泡尺寸逐渐减小。尽管对于高熵合金辐照性能的研究展现出了其在核反应堆领域良好的工业应用前景，但是目前该研究仍处于初级阶段，针对反应堆内不同工作环境下的特种高熵合金研究依然非常有限；同时，耐辐照高熵合金领域尚有诸多理论性问题需要解决。例如，TiVNbTa等高熵合金经过辐照后存在较为严重的元素偏析现象。总而言之，目前高熵合金辐照行为的数据库较为匮乏，尚不能为反应堆结构材料的设计提供可靠依据。大连理工大学首次提出用共晶合金的概念设计高熵合金，以期得到由双相共晶结构构成的高熵合金，从而获得铸造性能良好、综合力学性能优异的共晶高熵合金。AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金在铸态下展现了均匀细小的层片形貌，抗拉强度超过1 GPa，塑性高达17%，这种在铸态下即获得的高强度高塑性，使其成为最具工业应用价值的高熵合金之一。随后，许多具有优异力学性能和特殊功能的共晶高熵合金得以开发和报道，研究最为广泛的是AlCoCrFeNi体系和CoCrFeNi-M（M=Nb，Ta，Zr，Hf，Mo等）合金体系。AlCoCrFeNi系的共晶高熵合金通常由较软的FCC相和较硬的B2相构成，软硬两相在变形过程中相互作用使得此类合金表现出优异的综合力学性能。为了进一步提高这类共晶高熵合金的强塑性，研究人员对该类合金进行了不同的加工热处理和不同的制备方法以优化合金。例如，经过轧制和热处理，AlCoCrFeNi2.1合金在小幅度损失塑性的情况下，屈服强度可大幅度提高至1.4 GPa，比铸态条件下的650 MPa的屈服强度提高了约1.85倍；采用定向凝固工艺处理的Al19Fe20Co20Ni41在不牺牲屈服强度的前提下，塑性由铸态的16%提高至50%；通过增材制造制备方法可以显著改善AlCoCrFeNi2.1合金的力学性能，打印态合金的屈服强度和拉伸塑性分别高达1040 MPa和24%，较铸态合金分别提高了1.6倍和1.4倍。此外，由于AlCoCrFeNi系共晶高熵合金含有较多的Al和Cr元素，因此该类合金通常具有良好的耐蚀性及抗氧化性，有利于合金在海水和高温环境中应用。CoCrFeNi-M系共晶高熵合金通常由较软的FCC相和脆硬的拓扑密排相构成。拓扑密排相是一种适宜于高温应用的晶体结构，从而赋予了共晶高熵合金优异的高温力学性能。除了上述的结构性能外，共晶高熵合金得益于不同元素的加入，使合金在功能性能方面也展现出可观的应用前景，如软磁性能、巨磁电阻效应等。虽然共晶高熵在多个工程领域展现了巨大的应用潜力，但是目前对该类合金的研究主要集中在成分的开发、力学性能的优化以及变形机制等方面。由于共晶高熵合金良好的铸造流动性，面向工程尺寸铸锭的制备及实际工程的研究应进行更深入的探索。相比于传统合金，高熵合金具有更大的成分设计空间，能够形成更丰富的微观组织结构，因此，高熵合金展现出了许多传统合金难以比拟的优异性能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、抗氧化和抗高温软化等。在耐磨、润滑方面，目前报道的Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti高熵合金的硬度小于SUJ2轴承钢和SKH51模具钢，耐磨性至少2倍于传统的耐磨钢；Al0.2Co1.5FeNi1.5Ti0.55Si0.1高熵合金的耐磨性优于经典的Stellite 6耐磨合金；AlCoCrFeNi-M高熵合金在90 % H2O2溶液中，兼具优良的耐腐蚀性和耐磨性，具有工程应用潜力。我国基于高熵合金的概念创制了系列高熵合金基高温自润滑材料，如CoCrFeNi-Gr-MoS2和CoCrFeNi-Ag-BaF2/CaF2，其中高熵合金基体保证了复合材料良好的力学性能，而润滑相及氧化产物的协同作用使其实现了从室温至高温的连续润滑。虽然耐磨高熵合金展现出较大理论研究价值，但是该领域仍有诸多理论性问题尚未厘清。例如，配副和温度对高熵合金摩擦、磨损行为的影响机制仍然缺乏相关报道。更重要的是，有关高熵合金的磨损行为的性能数据库较为匮乏，尚不能为耐磨材料设计提供可靠依据。高熵合金因其广泛的元素组成和固有的复杂表面，可提供大量的结合位点，能够获得近连续分布的吸附能曲线。美国报道了一种高度均匀球形颗粒形式的高熵磷酸盐催化剂材料，其在析氧反应中具有优越的催化活性（10 mA/cm2下的过电位为270 mV），远高于传统催化剂的催化活性。来自印度的研究人员制备了纳米晶等原子AuAgPtPdCu高熵催化剂，在还原反应中具有高的催化活性，在低电压（-0.3 V）下完成了CO2到气体产品的100%转换。虽然催化剂中存在许多元素，但电催化活性主要由氧化还原活性铜金属的存在来描述，而其他金属仅提供协同作用。高熵合金催化剂在氧还原、水电解、氨氧化等反应中也具有广阔的应用潜力。相对于传统催化剂，高熵催化剂具有过电位低、热稳定性强、动力学快等特点，使其在燃料电池的生产、化学原料制备以及新能源发电等领域具有潜在的应用价值。在光热转换方面，利用电弧放电等离子体合成制备了一种由21种元素组成的高熵合金纳米颗粒，表现出了高效的光热转换性能。高熵合金因其显著的晶格畸变、不同的原子半径会产生较大的空隙位置，并且高熵合金多主元的特点增加了基体与氢的结合能，有利于储氢性能的提高。早期的高熵合金储氢性能研究主要集中在储氢能力上，如高熵合金Mg12Al11Ti33Mn11Nb33和TiZrCrMnFeNi的最大吸氢量为1.7 wt.%。随后，高熵合金的吸收 / 解吸循环特性得到广泛关注。我国报道了通过电弧熔炼与机械研磨的方法制备TiZrFeMnCrV合金，该合金具有超快的吸氢动力学，在30 ℃下的吸氢量可达1.80 wt.%；同时该合金具有优异的吸附 / 解吸循环性能，在50次循环中容量仍稳定在1.76 wt.%，表现出良好的可逆储氢性能。高熵合金作为一种不含稀土金属的新型储氢合金，可作为新能源汽车、能源发电等领域的候选材料。软磁材料是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料，易于磁化，也易于退磁，其主要功能是转换与传输电磁能量，被广泛用于各种电能变换设备中。高熵合金多主元合金的设计理念显著拓宽了材料的成分设计范围，可以同时包含多个磁性和非磁性元素，各元素间的相互作用可以产生意想不到的效果，为此，可以在较大的范围内对材料的磁性、耐蚀性、力学性能和高温抗氧化性等进行调整，使材料具有更高的综合性能以满足极端复杂条件下的使用需求。例如，我国研究人员设计制备的一种相干有序纳米沉淀物增强的超强韧性软磁高熵元合金Fe32.6Ni27.7Co27.7Ta5.0Al7.0，该合金的饱和磁化强度、矫顽力、居里温度、电阻率、屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率分别为100.2 A·m2·kg-1、78 A/m、693.8 K，103 μΩ·cm、904 MPa、1336 MPa和54%，这一优异的综合性能是空前的，展现出软磁高熵合金在高力学载荷下的广阔工业应用前景。
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