航空材料学报 >

2026 , Vol. 46 >Issue 8: 18 - 40

DOI: https://doi.org/10.11868/j.issn.1005-5053.2026.000074

综述

高性能高熵合金的研究进展、全球态势及工程化挑战

  • 刘伟 1 ,
  • 王瀚 1 ,
  • 李佳 2 ,
  • 曹俊 2 ,
  • 张兵兵 3 ,
  • 陈森 4 ,
  • 刘斌斌 , 2, *
展开
  • 1 中国航发北京航空材料研究院 3D打印研究与工程技术中心，北京 100095
  • 2 北京科技大学 新金属材料全国重点实验室，北京 100083
  • 3 中国科学院 高能物理研究所，北京 100049
  • 4 中国工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳 621900
刘斌斌（1984—），男，博士，副研究员，研究方向为高熵合金，联系地址：北京市海淀区学院路30号北京科技大学主楼299（100083），E-mail：

收稿日期: 2026-04-07

  录用日期: 2026-05-26

  网络出版日期: 2026-08-25

基金资助

国家重点研发计划青年科学家项目（2024YFB4608300）；北京市杰出青年基金（JQ24014）；国家自然科学基金（52175369）

版权

版权所有©《航空材料学报》编辑部 2026
收起

Research progress，global trend，and engineering challenge of high-performance high-entropy alloys

  • LIU Wei 1 ,
  • WANG Han 1 ,
  • LI Jia 2 ,
  • CAO Jun 2 ,
  • ZHANG Bingbing 3 ,
  • CHEN Sen 4 ,
  • LIU Binbin , 2, *
Expand
  • 1 3D Printing Research & Engineering Technology Center，AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China
  • 2 State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China
  • 3 Institute of High Energy Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
  • 4 Institute of Fluid Physics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，Sichuan，China

Received date: 2026-04-07

  Accepted date: 2026-05-26

  Online published: 2026-08-25

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Fold

摘要

为满足航空航天领域对高性能结构材料严苛的要求，高熵合金因其独特设计理念和性能特点成为重要的候选材料。本文聚焦难熔高熵合金、轻质高熵合金及共晶高熵合金3类典型体系，系统分析这3类高熵合金的代表性成分、组织特征与性能优势，以及在超高温、轻量化等航空航天关键应用场景中存在的主要技术瓶颈及突破路径。通过剖析世界主要国家和地区的研发态势，明确高熵合金由理论探索向需求牵引转化的发展趋势，梳理高熵合金在航空航天领域工程化应用亟须解决的设计、制备、性能评价等共性科学与技术挑战，主要包括：（1）突破传统材料性能极限的高熵合金组元体系设计与遴选；（2）高熵合金巨大成分空间的集成计算与高通量快速优化技术；（3）高熵合金复杂构件的高质量、高效率制备与成形技术；（4）寻求高熵合金性能与成本协同优化的“高性价比”成分区间；（5）面向极端服役场景的全方位性能评估与数据库建设。同时，对航空航天用高熵合金未来技术发展方向进行前瞻性展望，旨在为加速高熵合金从基础研究向关键工程化应用提供理论支撑与技术参考。

关键词： 航空航天; 难熔高熵合金; 轻质高熵合金; 共晶高熵合金; 微观组织; 力学性能

本文引用格式

刘伟 , 王瀚 , 李佳 , 曹俊 , 张兵兵 , 陈森 , 刘斌斌 . 高性能高熵合金的研究进展、全球态势及工程化挑战[J]. 航空材料学报, 2026 , 46(8) : 18 -40 . DOI: 10.11868/j.issn.1005-5053.2026.000074

Abstract

To meet the stringent requirements for high-performance structural materials in the aerospace sector, high-entropy alloys (HEAs) have emerged as critical candidate materials owing to their unique design philosophy and distinctive performance characteristics. This work focuses on three typical HEA systems, namely refractory HEAs, lightweight HEAs, and eutectic HEAs. It systematically analyzes the representative compositions, microstructural features, and performance advantages of the three alloy systems, as well as the major technical bottlenecks and corresponding breakthrough approaches in core aerospace application scenarios such as ultra-high temperature service and lightweight design. By analyzing the research and development progress in major countries and regions worldwide, this work identifies the developmental trend of HEAs shifting from theoretical exploration to demand-driven research. It also sorts out the common scientific and technical challenges concerning composition design, fabrication, and performance evaluation that urgently need to be addressed for the engineering application of HEAs in aerospace, which are summarized as follows: (1) design and screening of HEAs component systems that break through the performance limits of conventional materials; (2) integrated computation and high-throughput rapid optimization technologies for the vast compositional space of HEAs; (3) high-quality and high-efficiency fabrication and forming technologies for complex HEAs components; (4) determination of cost-effective composition ranges that realize the coordinated optimization of mechanical performance and production cost for HEAs; (5) comprehensive performance assessment and database construction targeting extreme service environments. Furthermore, this work puts forward a forward-looking prospect on the future technological development directions of aerospace HEAs, aiming to provide theoretical support and technical references for accelerating the transformation of HEAs from fundamental research to vital engineering applications.

Key words： aerospace; refractory high-entropy alloy; lightweight high-entropy alloy; eutectic high-entropy alloy; microstructure; mechanical property

金属材料作为人类文明演进的重要物质基础，其研发历史可追溯至五千年前青铜（铜锡合金）的问世。长期以来，合金开发主要遵循“以单一或两种元素为主元，通过微量合金化调控组织性能”的设计范式。尽管这一思路成功推动钢铁、高温合金、钛合金、铝合金等关键结构材料的发展，但本质上将合金成分的探索空间局限于多元相图的“边缘角落”。
面对航空航天等领域对超高温、超高压等极端服役环境的严苛要求，传统单一主元合金已逐渐逼近其物理性能极限，迫切需要打破固有的合金设计策略，探索全新的材料设计空间。2004年，Cantor等[1]首次报道具有单相固溶体结构的等原子比CrMnFeCoNi合金，并将此类合金命名为多主元合金（multi-principal element alloys，MPEAs）。同年，Yeh等[2]基于高混合熵的特性，提出高熵合金（high-entropy alloys，HEAs）的概念，并从合金成分的角度将其定义为：由5种及以上主元组成，且各组分原子含量均处于5%～35%的合金。自此，基于混合熵或构型熵的合金设计理念，将材料的研发视野从传统相图的“边缘角落”拓宽至广袤的“中心区域”，呈现出独特的热力学高熵、结构晶格畸变、动力学迟滞扩散及性能“鸡尾酒”四大核心效应，催生出一系列兼具独特物理、化学及力学性能的新型合金体系，为突破传统材料的性能瓶颈提供新途径。随后，“高熵化”的材料设计思想进一步向金属间化合物（intermetallic compound，IMC）、无机非金属材料领域扩展，衍生出高熵碳化物、高熵硼化物、高熵金属间化合物等[3]。
高熵合金的独特性能吸引着全球科研人员的广泛关注，目前我国及世界主要发达国家均已在该领域投入大量研究，围绕高熵合金的成分设计[4]、组织调控[5]、加工制备[6]、服役性能[7]、功能特性[8]等开展深入研究，并积极推进高熵合金潜在的应用探索。针对航空航天等高端装备领域耐高温、高强度、抗氧化、轻量化等特定需求，难熔高熵合金、轻质高熵合金、共晶高熵合金等3类高熵合金体系受到广泛关注。其中，难熔高熵合金有望代替高温合金，满足1200 ℃及以上温度的服役要求；轻质高熵合金按照密度差异可分别取代传统铝合金、钛合金等，满足高比强、轻量化场景的使用需求；共晶高熵合金凭借优异的成形性和强韧性匹配，可取代耐热钢和铸造合金。这3类合金体系有助于推动航空航天材料体系升级，有望实现更高推重比、更远航程与更强极端环境适应能力。
本工作在系统回顾高熵合金发展历程及其科学内涵的基础上，面向航空航天领域重大战略需求，重点评述难熔高熵合金、轻质高熵合金和共晶高熵合金的研究现状，主要包括这3类合金的代表性成分体系、组织特征与性能优势，以及在超高温、轻量化等航空航天关键应用场景中存在的主要问题与解决方案。通过剖析高熵合金在世界主要国家和地区的研发态势，梳理制约其工程化应用的共性挑战，旨在为推动高熵合金的基础研究与工程应用提供参考。

1 高熵合金及其内涵

1.1 高熵合金的发展历程

虽然2004年高熵合金正式问世，但是其学术渊源可追溯至18世纪。1788年，Achard[9]在其著作《Research on the properties of metallic alloys》中，系统记录基于Cu、Fe、Pb、Sn、Zn、Bi、Sb、As、Ag、Co、Pt这11种元素开发的894种合金，其中包括二元、三元、四元等原子及非等原子比合金和五元、六元、七元等原子比合金，并研究这些合金的密度、硬度、强度、塑性、耐磨性、耐蚀性等性能，发现这些合金的性能与其组成元素本身性能存在明显差异。这一超越时代的探索于1963年被Smith[10]评价为“冶金历史上四大卓越研究之一”。
20世纪70年代，Cantor开始关注相图中心区域的合金。不同于传统合金中普遍存在的复杂金属间化合物，Cantor发现多主元体系在较高的组元浓度下仍能保持单相固溶体结构，这一发现打破“组元越多、相结构越复杂”的传统冶金认知。继1981年和1998年Cantor指导的两篇本科毕业论文中相继提出多主元合金的设计思想后，于2002年他正式提出多主元合金的概念。2004年，Cantor等[1]公开报道面心立方（face-centered cubic，FCC）固溶体结构CrMnFeCoNi等原子比合金，即著名的“Cantor合金”。
自20世纪90年代，叶均蔚团队便致力于从统计热力学角度探索高混合熵与相组成间的内在联系。研究表明，高混合熵能够显著降低体系自由能，抑制脆性中间相析出，促使合金在凝固后形成稳定的单相体心立方（body-centered cubic，BCC）或面心立方等固溶体组织。在对59种元素的不同组合进行大量实验验证后，于2004年先后发表5篇相关论文，并在题为《Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements：novel alloy design concepts and outcomes》一文中，首次正式提出并定义高熵合金这一术语[2]。

1.2 高熵合金的定义

随着研究不断发展与深入，研究人员发现许多非等原子比合金以及部分三元、四元合金同样也能形成简单的无序固溶体，且个别主元含量也可以超过35%（原子分数，下同）。从热力学角度衡量，此类合金的混合熵高于传统合金。图1（a）对比二元至六元合金体系的混合熵ΔSmix水平，依据熵值，可将合金分为3类[3，11]：以1种或2种元素为主要组成元素的低熵合金（ΔSmix<0.69R，R为气体常数），大多数传统合金属于此类范畴；包含2种到4种主要组成元素的中熵合金（0.69R≤ΔSmix≤1.61R）；包含至少5种主要组成元素的高熵合金（ΔSmix>1.61R）。此外，部分研究人员也将中熵合金和高熵合金称为成分复杂合金（complex concentrated alloys，CCAs）。
图 1 合金组元数量、相组成与混合熵之间关系（a），高熵合金的四大效应[8]（b）

Fig.1 Relationship among the number of alloying elements，phase constitution and mixing entropy (a) ，four core effects of HEAs[8] (b)

高熵合金的高混合熵特性带来的最重要的结构特征是促使合金倾向于形成简单的无序固溶体（FCC、BCC、密排六方（hexagonal close-packed，HCP）等），而非金属间化合物。然而，当合金中存在强烈原子键合的原子对时，高熵合金中仍会出现有序的B2相、Laves相等。因此，如何在广阔的成分空间中准确预测高熵合金的固溶体形成倾向，是高熵合金相结构研究的核心内容。目前，用于预测高熵合金多组元固溶体形成的经验判据主要包括：ΔHmix-δ准则[12]、VEC判据[13]和Ω参数[14]。

1.3 高熵合金的性能特点

高熵合金独特的成分设计赋予其四大核心效应：热力学高熵效应、结构晶格畸变效应、动力学迟滞扩散效应和性能“鸡尾酒”效应[15]，如图1（b）所示。热力学高熵效应导致合金倾向于形成固溶体，而不是金属间化合物；高熵合金中各组元的原子尺寸及化学性质差异导致的结构晶格畸变效应赋予合金强烈的固溶强化效果，强烈固溶强化协同细晶强化、析出强化、位错强化、相变诱导塑性（transformation induced plasticity，TRIP）、孪晶诱导塑性（twinning induced plasticity，TWIP）等多种强韧化机制，使高熵合金展现出远超传统合金的性能潜力，如图2所示[16]；合金点阵中不同原子的随机占位导致不同晶格位置的晶格势能差异带来的动力学迟滞扩散效应，有助于提高合金热稳定性，减缓晶粒长大及第二相的析出过程；Ranganathan[17]提出的“鸡尾酒”效应表明通过调整合金组元种类与比例，可以实现材料性能非线性优化。
图 2 传统合金（a）和高熵合金（b）强韧化机制[16]

Fig.2 Strengthening and toughening mechanisms of traditional alloys (a) and high-entropy alloys (b) [16]

2 航空用典型高熵合金体系研究现状

历经20余年的高速发展，高熵合金独特的成分设计蕴含的优异性能被不断发掘。以CoCrFeNiMn合金为代表的3d过渡元素高熵合金的抗拉强度和塑性随温度降低均呈现升高趋势，表现为低温反常塑性，且该类合金断裂韧度超过200 MPa·m1/2，高于大部分已知结构材料[18]，在低温、超低温领域表现出巨大的应用潜力。随着研究的深入，高熵合金已根据主元特性与应用导向衍生出多个特色子体系，包括具有优异抗高温软化能力的难熔高熵合金（refractory high-entropy alloys，RHEAs）、具有高强度的轻质高熵合金（light weight high-entropy alloys，LWHEAs）、兼顾成形性与力学性能的共晶高熵合金（eutectic high-entropy alloys，EHEAs）等，这些合金体系有助于推动航空航天材料体系升级，下面将重点评述难熔、轻质、共晶3类典型高熵合金体系的研究进展及工程化应用挑战。

2.1 难熔高熵合金

以镍基、铁基合金为代表的传统高温合金，固溶强化、析出相强化、晶界强化等机制保证其在严苛服役条件下的组织稳定性与力学性能，因此，在航空发动机、燃气轮机等热端部件中占据重要地位。然而，随着先进航空动力装置等对服役温度要求的不断提升，材料本身的工况温度已突破1100 ℃，接近甚至超过传统高温合金的极限熔点，难熔高熵合金解决了传统高温合金面临严重的性能退化、高温蠕变、氧化腐蚀等瓶颈。
2011年，Senkov等[19]基于高熵合金的设计理念，开发完全由难熔金属元素组成的Nb25Mo25Ta25W25、V20Nb20Mo20Ta20W20合金，并将其命名为难熔高熵合金。这两种合金的熔点均超过2600 ℃，经1400 ℃均匀化退火19 h后依然保持单相BCC结构，具有优异的组织稳定性；在1600 ℃下压缩屈服强度仍分别达405 MPa和477 MPa，展现出远超传统合金的抗高温软化能力。自此，RHEAs因其高熔点、良好的高温强化和抗高温软化的特点，被认为极具潜力的新型高温结构材料。
虽然Nb25Mo25Ta25W25、V20Nb20Mo20Ta20W20这两种合金具有优异的高温性能，但是其室温压缩断裂应变均不足3%，高密度和室温脆性限制实际应用。研究表明，Nb25Mo25Ta25W25合金的室温脆性起源是氧导致的晶界脆性弱化晶界强度，容易诱发晶间开裂，B、C原子添加优先取代晶界处O原子，晶界脆性得到有效缓解，合金的断裂方式从沿晶断裂转变为穿晶断裂，从而大幅提高室温和高温力学性能[20]。随后，研究人员引入较轻的Al、Ti、Zr、Cr等元素取代较重的W、Ta等元素，在降低合金密度的同时，也一定程度提升合金塑性，但是如何获得兼具室温塑性和高温强度的难熔高熵合金依然是重要难题。随着Al、Cr等元素增加，合金组织也会由单相BCC转变为BCC+B2、BCC+Laves相的双相或多相组织。Senkov等[21]认为，在B2基体上形成无序A2相的难熔高熵合金（AlMo0.5NbTa0.5TiZr、Al10Nb20Ta16Ti30V4Zr20合金等）具有类似于镍基高温合金γ/γ′组织特征，其服役温度有望超过现有镍基高温合金，并进一步将其定义为难熔高熵高温合金[22]。
表1[19，23-38]对比典型难熔高熵合金的高温力学性能，可以看出，相较于高温合金，大部分难熔高熵合金具有良好的抗高温软化能力。然而，当服役温度达到1600 ℃及以上时难熔高熵合金的强度依然略显不足。针对这一挑战，国内外研究人员进一步引入C、Si等元素，制备碳化物/硅化物增强的难熔高熵合金复合材料[23，39-40]，陶瓷相的引入能显著提升难熔高熵合金复合材料的强度，如碳化物增强的WTaMoC合金在2000 ℃依然具有超过200 MPa压缩屈服强度[23]，但是进一步恶化合金的室温韧塑性。
表 1 典型难熔高熵合金的高温力学性能

Table 1 High temperature mechanical properties of typical refractory high-entropy alloys

Alloy Temperature/℃ Yield strength/MPa Fracture strain/% Reference
NbMoTaW 600 561 [19]
800 552
1000 548
1200 506
1400 421
1600 405
VNbMoTaW 600 1246 13 [19]
800 862 17
1000 846 19
1200 735 7.5
1400 656
1600 477
Hf0.25NbTaW0.5 1000 584 >50 [23]
1200 577 >50
1400 455 >50
C0.25Hf0.25NbTaW0.5 1000 868 >50 [23]
1200 792 >50
1400 749 >50
Re0.1Hf0.25NbTaW0.4Cr0.25 1000 811 26.5 [24]
1200 744 32.1
1450 759 >35
1700 382 >40
AlMo0.5NbTiV 800 637 13.6 [25]
AlMo0.5NbTiVSi0.5 800 1428 7.8 [25]
1000 390 >35
AlMo0.5NbTiVSi0.1 1000 258 >35 [25]
AlMo0.5NbTiVSi 1000 390 >35 [25]
MoNbTaTi 600 592 [26]
HfNbTaTi 600 472 [26]
TiNbMoTaW 600 689 36 [27]
800 674 48.4
1000 620 36.9
1200 586 11.9
(TiNbZr)89(AlTa)11 600 625 70 [28]
800 210 70
HfMoTaTiZr 800 1045 19 [29]
1000 855 >30
1200 404 >30
HfMoNbTaTiZr 800 1007 23 [29]
1000 814 >30
1200 556 >30
AlNbTiV 600 780 14.3 [30]
800 560 >50
AlNbTiVZr0.1 600 975 5.1 [30]
800 865 >50
AlNbTiVZr1.5 600 1195 0 [30]
800 180 >50
NbTaTiV 700 667 >40 [31]
800 580 >40
900 540 >40
1000 437 >40
HfMoScTaZr 800 1118 35 [32]
1000 963 >42
1200 498 >42
CrNbTiVZr 600 795 0 [33]
800 440 >50
1000 95 >50
AlCrNbTiVZr 600 620 0 [33]
800 1250 0.3
1000 305 >50
AlMo0.5NbTa0.5TiZr 800 1597 11 [34]
1000 745 >50
1200 250 >50
Al0.4Hf0.6NbTaTiZr 800 796 >50 [34]
1000 298 >50
1200 89 >50
VNbMoTa 1000 811 >25 [35]
Nb45Mo15Ta20W10Ti10 1100 549 >50 [36]
1100 516 >40
W30Ta30Mo15Nb15C10 1600 896 >40 [37]
MoNbWTaC 1000 1270 >20 [38]
1400 890 >30
与大多数仅具备有限室温塑性的难熔高熵合金不同，TiZrHfNb（Ta）系难熔高熵合金具有优异的室温拉伸塑性。研究表明，变形、退火态TiZrHfNbTa难熔高熵合金和铸态TiZrHfNb等原子难熔高熵合金的室温拉伸断后伸长率均超过14%[41-42]。后续研究发现，TiZrNb、TaNbV等三元难熔中熵合金也呈现出优异的室温拉伸塑性。为进一步解决难熔高熵合金室温强塑性匹配的难题，研究人员通过引入O、N、B等小原子或者借鉴晶界工程和亚稳工程的设计思想，在难熔高熵合金变形过程中引入相变诱导塑性和孪生诱导塑性，为开发超高强韧难熔高熵合金提供重要途径[43-44]。在TiZrHfNb合金中引入2%O原子，间隙O原子在BCC基体上形成有序氧复合体结构，这种结构可以钉扎位错，改变位错滑移方式，促使位错发生交滑移，合金的强塑性同时显著提升[45]。通过调控TaHfZrTi合金中Ta含量，在变形中发生应力诱导马氏体相变从而产生相变诱导塑性现象，在不降低强度的情况下，实现塑性的数倍增加，加工硬化能力也得到极大提高[43]。
难熔高熵合金另一个值得注意的特性是抗辐照性能。严重的晶格畸变效应为抵御辐照损伤构建天然屏障：一方面，局部应力场通过捕获并钉扎点缺陷，显著提升空位-间隙原子对的复合概率，从源头上减少缺陷密度；另一方面，迟滞扩散效应大幅延缓点缺陷聚集成空洞或位错环的动力学过程[46]。实验与模拟均证实，相比传统合金，RHEAs 在相同剂量辐照后空洞尺寸更小、分布更弥散，宏观体积肿胀率显著降低。此外，复杂的化学环境与高构型熵有效抑制辐照诱导的成分偏析及非晶化转变，维持极端环境下单相固溶体组织稳定性[47]。
与传统难熔金属及其合金类似，难熔高熵合金的抗氧化性能较差，特别是在中温区域存在加速氧化现象，这与难熔金属氧化物易挥发、复合氧化产物保护性差等因素相关，提高难熔高熵合金抗氧化性是其工程应用需要解决的重要问题。加入Al、Cr、Ti、Si合金化抗氧化元素是提升难熔高熵合金抗氧化性的主要方法，如AlCrMoTaTi合金在1000 ℃和1100 ℃下，空气环境氧化48 h后仅分别增重0.7 mg/cm2和2.9 mg/cm2，不仅优于大部分难熔高熵合金，也明显优于商用高温合金[48]。难熔高熵合金的抗氧化性除了与成分相关外，还与合金的组织有关。TiZrHfNb等合金的BCC基体在中温区域会分解成（BCC+HCP）双相组织，沿着晶界分布的HCP相影响合金抗氧化性。
综上所述，难熔高熵合金（RHEAs）凭借远超传统镍基高温合金的熔点极限（>2000 ℃）及卓越的高温抗软化能力，已成为航空发动机及高超声速飞行器热端部件最具潜力的候选材料。目前，针对高密度、室温脆性及超高温强度瓶颈，研究重点已转向通过Al、Ti、Cr等轻质元素协同“减重增塑”并降低成本，并利用亚稳工程（TRIP/TWIP效应）、第二相复合强化等手段实现综合性能突破[49]。未来，RHEAs的发展还需要解决一些共性问题，例如如何加速新型合金成分设计从而平衡难熔高熵合金的高温性能与室温韧性；此外，难熔高熵合金高熔点和高硬度的优势也为其成形和加工带来很大困难，需要解决传统铸造加工难题如细化晶粒、减少偏析，提高材料均匀性，增材制造[50-51]、水导激光加工[52]等前沿成形与加工技术的发展，有助于加速推动从实验室探索向跨尺度结构功能一体化工程应用的转型[50]。

2.2 轻质高熵合金

轻质高熵合金在继承高熵合金卓越性能的同时，凭借低密度、高比强度等显著优势，在航空航天领域展现出广阔的应用前景。尽管目前学术界对LWHEAs尚无统一定义，但依据其元素组成特征，大致可分为以下三大体系：第一类是低密度轻质高熵合金，主要由Al、Mg、Li、Ca等低密度元素组成，追求极低的密度；第二类是过渡族轻质高熵合金，合金以Al、Ti元素为核心，并引入Fe、Ni、Cr等3d过渡族金属，旨在平衡密度和力学性能；第三类是轻质难熔高熵合金，由Al、Ti元素与V、Zr、Nb等难熔金属元素组成，侧重于提升合金高温性能。其中，低密度轻质高熵合金有望取代铝合金等实现构件减重；轻质难熔高熵合金有望代替高温钛合金等；3d过渡族轻质高熵合金填补这两类轻质高熵合金服役温度区间的空白，既可以弥补低密度轻质高熵合金熔点低的不足，也可以克服轻质难熔高熵合金中温组织不稳定的问题。表2[53-73]列出上述3类轻质高熵合金体系的代表性成分、制备方法及合金密度。
表 2 典型轻质高熵合金的成分、制备方法和密度

Table 2 Compositions，fabrication methods，and density of typical light weight high-entropy alloys

Type Alloy Preparation method Density/ (g·cm−3) Reference
Low-density LWHEAsMgCaAlLiCuInduction melting (IM)2.2[53]
Mg43 (MnAlZnCu)67IM2.4[53]
Mg45.6 (MnAlZnCu)54.4Arc melting (AM)2.2[54]
Mg30Al25Ti25Li15Si5Mechanical alloying (MA)1.71[55]
Al50Ca5Cu5Ni10Si20Ti10IM3.3[53]
AlLi0.5MgCu0.5Sn0.2AM3.91[54]
Al20Li20Mg10Sc20Ti30MA2.67[56]
Al65Cu5Cr5Si15Mn5Ti5IM3.73[57]
Al80Li5Mg5Zn5Sn5IM3.05[57]
Al80Li5Mg5Zn5Cu5IM3.08[57]
AlLi0.5MgZn0.5Sn0.2IM3.22[57]
AlLi0.5MgZn0.5Cu0.2IM3.69[57]
AlMgZnCuSiAM3.3[58]
Mg33 (MnAlZnCu)77IM3.7[59]
Al35Cu5Fe5Mn5Si30V10Zr10IM3.96[60]
LWHEAs based on 3d
transition elements		Al45Cu15Fe5Mn5Si5Ti5Zn20AM5.16[61]
Al60Cu10Fe10Cr5Mn5Ni5Mg5AM4.71[61]
AlCrFeMnTi0.25AM5.87[61]
Al1.5CrFeMnTiMA+spark plasma sintering (SPS)5.79[62]
Al2CrFeMnTi0.25MA+SPS5.37[62]
Al3CrFeMnTi0.25MA+SPS4.91[62]
AlFeCuCrMg1.7MA+vacuum hot pressing (VHP)4.93[63]
Al2CrFeMnTiMA+VHP5.1[63]
Al1.5CrFeMnTiAM5.31[64]
Lightweight RHEAsAl2NbTi3V2Zr0.4IM5.07[60]
Al2NbTi3V2Zr0.2AM5.06[61]
Al2NbTi3V2Zr0.6AM5.31[61]
Al2NbTi3V2MA+VHP5.02[63]
Al2NbTi3V2Zr0.8MA+VHP5.18[63]
Al2NbTi3V2ZrMA+VHP5.21[63]
AlTiVCrAM5.06[65]
Al20Cr10Nb15Ti20V25Zr10AM5.55[66]
AlNbTiVAM5.59[67-69]
AlCr0.5NbTiVAM5.71[68]
AlCrNbTiVAM5.82[68]
AlCr1.5NbTiVAM5.9[68]
Al0.8NbTiVAM5.61[69]
Al0.8NbTiVCo0.2AM5.84[69]
Al0.8NbTiVNi0.2AM5.84[69]
AlNbTiZrAM5.74[70]
Ti30Al20V20Nb20Mo10AM5.88[71]
Ti60 (AlVCr)40IM4.71[72]
TiNbAl0.5V0.5AM5.94[73]

2.2.1 低密度轻质高熵合金

2014年，Yang等[57]面向传统铝合金合金化元素含量较低、成分调控范围局限和强韧性进一步提高受到制约的问题，基于Al、Li、Mg元素，采用高熵化思想设计Al-Mg-Li-（Zn，Cu，Sn）系列轻质高熵合金，其中，Al80Mg5Li5Zn5Sn5、Al80Mg5Li5Zn5Cu5合金的实际密度分别为3.08 g/cm3和3.05 g/cm3，处于钛合金和铝合金密度之间，且具有良好的综合力学性能，压缩屈服强度分别为488 MPa和415 MPa，抗压强度均超过800 MPa，压缩断裂应变也超过16%。随后研究人员进一步开发出多种基于Al、Mg元素的轻质高熵合金，与传统铝合金类似，Al基轻质高熵合金主要包括Zn、Cu、Sn、Ca、Sc等元素，由表2可以看出，此类合金的密度通常低于4.0 g/cm3，某些高Mg含量合金（如MgCaAlLiCu）的密度仅为2.2 g/cm3[53]。
由于Al基轻质高熵合金中含有大量化学活性元素，因此高熵化设计的AlMgLiZnSn等合金并没有出现单相固溶体结构，取而代之的是α-Al基体中形成Mg2Zn、Li2MgSn等金属间化合物。现有报道的富Al、Mg、Li、Ca元素的轻质高熵合金中，仅MgCaAlLiCu[53]和AlLiMgScTi[56]呈现单相结构。Han等[74]通过高压和高温处理使Al55Mg35Li5Zn5四元合金相结构由Al3Mg2、LiMgAl2、Mg32（Al，Zn）49等金属间化合物转变为单相FCC，合金室温压缩性能较铸态大幅提升。与其他轻质高熵合金对比发现，单相FCC合金具有较高比屈服强度，达到3.44×105 （N·m）/kg。目前低密度轻质高熵合金聚焦“更低密度、更高性能、更低成本”方向，研究重点已从成分探索逐渐转向通过工艺优化和微观组织调控突破强韧性、耐腐蚀等性能瓶颈。

2.2.2 3d过渡族轻质高熵合金

作为典型的3d过渡族高熵合金，Cantor合金密度约为8.0 g/cm3。通过引入Al、Ti轻质元素，可以将合金密度有效降低至4.7～6 g/cm3（表2），并显著改变相组成与力学性能。适量Al和Ti元素添加促使（FeCoNiCrMn）100-xAlx体系合金从单一FCC结构，转变为由FCC+BCC/B2组成的多相组织，并最终转变为BCC/B2 相主导的组织。这种成分设计策略不仅充分利用Al、Ti元素的固溶强化作用，还在软的FCC基体上诱导形成硬质的BCC/B2相提升强度，从而在实现一定程度轻质化的同时，获得优异的强塑性匹配[75]。例如，（FeCoNiCr）86Al7Ti7合金中，通过热处理可形成高密度的共格纳米L12析出相，获得显著的析出强化效果，合金抗拉强度超过1.2 GPa的同时仍保持约20%断后伸长率[76]。单独添加Ti元素也被证实可形成FCC+BCC双相组织，有效细化晶粒并改善耐磨性[77]。Ni与Cr元素本身具有良好的耐蚀性，Al、Ti等元素促进钝化膜形成，进一步改善这类轻质高熵合金的抗氧化性和耐蚀性。

2.2.3 轻质难熔高熵合金

面向航空航天领域耐高温、轻量化的需求，研究人员以早期开发具有较低密度的CrNbTiVZr系难熔高熵合金为基础，进一步引入Al元素，开发出一系列轻质难熔高熵合金，如表2中AlNbTiV、AlNbTiVZr和AlCrNbTiV等体系[68-70]，可以看出这些体系合金的密度通常在5～6 g/cm3。轻质难熔高熵合金的相组成也以BCC相为主，在高Al含量条件下，凝固的基体会转变为有序B2相。但是，由于Al、Cr等元素与Ti、Zr等元素之间具有强烈的原子键合，从而导致在热处理或缓慢凝固过程中形成AlZr2、Zr5Al3、Ti3Al等金属间化合物相，进而影响合金塑性。如AlNbTiVZrx轻质难熔高熵合金的室温压缩屈服强度随着Zr含量增加而增大，但是压缩断裂应变由超过50%（AlNbTiVZr0.5合金）下降至不足1%（AlNbTiVZr1.5合金）。
值得注意的是，部分轻质难熔高熵合金被证实同样具有优异的室温拉伸塑性。Yan等[78]开发（Zr0.5Ti0.35Nb0.15）100-xAlx（x=10和20）轻质难熔高熵合金，这两种合金的名义密度分别仅为5.79 g/cm3和5.58 g/cm3，其中变形+热处理态（Zr0.5Ti0.35Nb0.15）80Al20合金的室温抗拉强度达到1.8 GPa，同时断后伸长率为8%，其性能优于大部分BCC结构的高熵合金及其他双相合金（图3）。进一步研究发现，在其他TiZrNb三元中熵合金中加入Al元素，随着Al含量增加，合金相结构由无序BCC相转变为有序B2相，但是同样可以获得良好的室温拉伸塑性。以AlNbTiZr系为代表的轻质难熔高熵合金成为开发高强韧高熵合金的研究热点。
图 3 （Zr0.5Ti0.35Nb0.15）100-xAlx（x=10和20）轻质难熔高熵合金与其他高熵和非晶合金的室温比强度-拉伸应变（a）和比强度-密度（b）的对比[78]

Fig.3 Comparison of room temperature specific strength-tensile strain (a) and specific strength-density (b) between (Zr0.5Ti0.35Nb0.15)100-xAlx (x=10 and 20) lightweight RHEAs and other HEAs and amorphous alloys[78]

由于含有较多Al、Cr等元素，轻质难熔高熵合金的抗氧化性普遍优于TiZrNbHfTa、MoNbTaW等其他难熔高熵合金，且在合金中加入Y、Hf 等活性元素，提高氧化膜与基体的黏附性，从而增强高温抗氧化能力。同时，Al、Cr等元素有助于提升轻质难熔高熵合金的耐腐蚀性，研究表明AlTiVCr轻质高熵合金具有优异的耐腐蚀性，其单一的B2相基体不易发生原电池腐蚀，且含有易于形成钝化膜的Al、Cr元素，与纯铝和304不锈钢表面形成的单一钝化膜相比，由Al2O3、V2O3和Cr2O3组成的复合钝化膜能够更好地防止点蚀腐蚀的发生[79]。
总之，轻质高熵合金通过突破性成分设计理念，成功实现低密度（2.2～6.0 g/cm3）与高力学性能的协同，为航空航天领域的轻量化需求提供全新的材料解决方案[80]。尽管其展现出巨大的应用潜力，LWHEAs的深入发展仍面临严峻挑战：首先，亟须建立复杂多相体系中“成分-工艺-组织”的定量映射规律，通过机器学习、高通量计算与实验相结合，加速发现新型轻质高熵合金体系，并从制备方法、后处理制度等方面实现微观组织的精确调控，实现强度、韧性和耐热性的平衡；其次，应致力于构建兼具高比强度与优异抗氧化、耐腐蚀性能的多功能一体化合金体系，以满足极端服役环境的苛刻要求[81]；最后，还需要进一步开展面向极端环境的性能退化机制研究，阐明3类轻质高熵合金体系的极端环境适应性。

2.3 共晶高熵合金

为了克服单相合金铸造流动性差、易产生宏观铸造缺陷等问题，2014年，Lu等[82]将共晶合金设计理念与高熵合金相结合，提出共晶高熵合金，并成功制备FCC（L12）/BCC（B2）双相的AlCoCrFeNi2.1合金，实现强度与塑性的同步提升，且共晶凝固特性解决了高熵合金铸造性能差的难题。随后，研究人员从AlCoCrFeNi及AlNbTi体系出发，引入Mn、Mo、Cu、Si等元素，开发一系列共晶高熵合金[83]，如图4所示。
图 4 共晶高熵合金的主要元素及其作用[83]

Fig.4 Main elements and their roles in eutectic high-entropy alloys[83]

表3[84-104]列举部分典型共晶高熵合金成分及其共晶形貌，可以看出大多数共晶高熵合金具有片层结构，少数呈现棒状或迷宫结构，相组成主要包括FCC+B2型、FCC+Laves/IMC型、BCC+Laves/IMC型、FCC+BCC型等。同时，为了降低合金成本，研究人员尝试去除昂贵的Co元素，形成CrFeNi基FCC+增强相与AlCrFeNi基BCC+增强相两大子体系，通过调控增强相类型与含量改善合金力学性能。总体而言，自2014年提出共晶高熵合金以来，这些高熵合金体系的成分设计、组织/性能调控、应用探索、制备技术等方面都取得重要的进展，通过调控凝固过程改善共晶组织形貌，进一步采用热机械处理有效消除铸造过程产生的偏析和缺陷，结合变形和退火工艺优化获得等轴超细晶结构、异质片层等再结晶组织，开发了具有优异力学性能的共晶高熵合金。
表 3 典型共晶高熵合金的成分、相组成和形貌

Table 3 Compositions，phase compositions，and morphologies of typical eutectic high-entropy alloys

Alloy Phase composition Eutectic morphology Reference
AlCoCrFeNiNbx BCC+HCP Lamellar [84]
Al1.2CrCuFeNi2 FCC+B2 Rod-shaped [85]
AlCoCrCuFeNiMo0.4 FCC+α Lamellar [86]
AlCrFeNiMo0.2 FCC+B2 Lamellar [87]
AlCrFeNi BCC+B2 Lamellar [87]
CoCrFeNiNb0.65 FCC+Laves Lamellar [88]
AlCoCrFeNi2.1 FCC+B2 Lamellar [89]
CoFeNi2V0.5Nb0.75 FCC+Laves Lamellar [90]
CoFeNiVMo0.6 FCC+IM Lamellar [91]
CoFeNi1.4VMo FCC+IM Lamellar [91]
CoCrFeMnNbNi FCC+Laves Lamellar [92]
Nb25Sc25Ti25Zr25 HCP+BCC Lamellar [93]
CoCrFeNiZr0.5 FCC+Laves Lamellar [94]
Al17Co14.3Cr14.3Fe14.3Ni40.1 FCC+BCC Lamellar [95]
Al17Co28.6Cr14.3Fe14.3Ni25.8 FCC+BCC Lamellar [95]
Al17Co14.3Cr14.3Fe28.6Ni25.8 FCC+BCC Lamellar [95]
CoCrFeNiTa0.4 FCC+Laves Lamellar [96]
CoCrFeNiNb0.45 FCC+Laves Lamellar [97]
Co2Mo0.8Ni2VW0.8 FCC+μ Lamellar [98]
Zr0.6CoCrFeNi2.0 FCC+Ni7Zr2 Lamellar [99]
Nb0.74CoCrFeNi2.0 FCC+(Co，Ni)2Nb Lamellar [99]
Hf0.55CoCrFeNi2.0 FCC+Ni7Hf2 Lamellar [99]
Ta0.65CoCrFeNi2.0 FCC+(Co，Ni)2Ta Lamellar [99]
Ni25Fe25.3Cr15Co10V10Mn10Nb9.7 FCC+Laves Lamellar [100]
Al9Cr12Fe20V12Ni47 FCC+BCC Needle-shaped [101]
Al1.05CoCrFeNi3Ti0.2 FCC+BCC Lamellar [102]
Al0.75CoCrFeNi3Ti0.5 FCC+BCC Petal-shaped [102]
Ni49Fe28Al17V6 FCC+B2 Lamellar [103]
CoCrFeNiNb0.45 FCC+HCP Lamellar [104]
共晶高熵合金中Al、Cr元素在高温环境下优先发生氧化，在表面形成致密连续的Al2O3或Cr2O3保护性氧化膜，阻碍基体进一步氧化，提升抗氧化性。研究发现，450～650 ℃下，AlCoCrFeNi2.1合金在氯化物熔盐极端腐蚀环境中腐蚀速率仅为传统双相钢的1/8。与传统铁基和镍基高温合金相比，共晶高熵合金在高温时氧化速率常数更低[105]，在航空航天等部件具备应用优势。与难熔体系类似，共晶高熵合金显著的晶格畸变可降低缺陷迁移速率，促进空位与间隙原子复合。共晶高熵合金内部丰富的相界面充当缺陷“湮灭阱”，能高效俘获并消除点缺陷及位错环，显著抑制辐照肿胀与脆化[106]。凭借双相界面极高的组织稳定性，EHEAs 已成为抗辐照场景的候选结构材料。
EHEAs以层状或棒状的FCC+B2、FCC+BCC、FCC+Laves等双相组织为特征，不仅实现了优异的强塑性匹配，而且在极端腐蚀熔盐环境及高温抗氧化方面展现出超越传统双相钢与镍基合金的潜力，共晶高熵合金在铸造和焊接方面的优势为其大规模工业应用提供基本保障。未来EHEAs需要重点突破复杂工况下组织热稳定性瓶颈，已有研究发现，AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金在600 ℃退火后，L12和BCC晶粒逐渐粗化，产生更强的有序强化及模量强化效果，引起试样强度显著增加，但是当退火温度达到650 ℃时，BCC相逐渐溶解，导致强化效果下降[107]，这表明需要深入探究长时高温服役过程中共晶片层的粗化机理与控制策略[108]；同时，开发低成本、无战略元素（如Co元素等）的新型体系，通过计算材料学（相图计算法（calculation of phase diagrams，CALPHAD）等）实现共晶点的精准预测与成分调控[109]；采用增材制造、定向凝固等制备方法调控共晶相比例、形态和界面结构，从而开发兼具高强度、高韧性、耐腐蚀、耐高温等性能的定制化共晶高熵合金。

2.4 航空航天典型结构材料与高熵合金对比分析

为明确高熵合金在航空航天结构材料体系中的相对位置，有必要将其与现役典型结构材料（镍基高温合金与钛合金）进行系统对比。从材料服役性能与工程应用需求出发，不同材料体系在密度、服役温度范围、力学性能、长期稳定性等方面呈现出显著差异，如表4所示。
表 4 镍基高温合金、钛合金与典型高熵合金的对比

Table 4 Comparison of Ni-based superalloys，titanium alloys and typical high-entropy alloys

Alloy Density/(g·cm−3) Temperature bearing capacity/℃ Mechanical property Advantage Limitation
Ni-based superalloys 8.2-9.0 600-1100 High high-temperature strength High- temperature stability，high oxidation/creep resistance High density，high cost
Titanium alloys 4.3-4.8 300-600 Moderate specific strength Light weight，corrosion resistance Limited service temperature (<600 ℃)
RHEAs ＞8.0 1000-1600 High high-temperature strength， exceptional resistance to heat softening Applications demanding elevated temperature Large density，brittleness，fabrication
LWHEAs ≤6.0 300-800 High specific strength Light weight，high specific strength Limited high-temperature stability
EHEAs 6.5-8.5 (depends on the matrix elements) 700-1000 Excellent synergy of strength and ductility Good casting ability Limited chemical compositions
镍基高温合金作为目前航空发动机热端部件的核心材料体系，依赖γ基体与γ′强化相的协同作用，在600～1100 ℃范围内表现出优异的高温强度、抗蠕变性能及组织稳定性，是高温服役环境下综合性能最为成熟的材料体系。然而，其较高的密度（8.2～9.0 g/cm3）在一定程度上限制结构轻量化发展需求，同时复杂的合金体系导致制备与加工成本较高。
钛合金以低密度（4.3～4.8 g/cm3）和较高比强度优势，在300～600 ℃中温区间广泛应用于航空结构件，具有优异的轻量化潜力与良好的耐腐蚀性能。然而，其高温性能受限较为明显，在600 ℃以上服役时易出现强度衰减与组织不稳定问题，难以满足更高温区结构承载需求。
相比之下，高熵合金体系通过多主元固溶强化与复杂组元协同效应，在性能调控方面展现出更大的设计自由度。其中，难熔高熵合金以BCC固溶体为主，具备优异的高温强度与抗软化能力，潜在服役温度可扩展至1000～1600 ℃，但其密度高、室温脆性大、抗氧化性差仍制约工程应用；轻质高熵合金通过引入轻质元素实现密度显著降低（≤6.0 g/cm3），在比强度方面具有优势，但高温稳定性仍需进一步提升；共晶高熵合金通过共晶组织调控，实现FCC/BCC或FCC/Laves层片结构的强塑协同，在铸造性能与力学性能匹配方面表现突出，具有较大的工程化潜力。
总体而言，高熵合金在成分设计空间与组织调控自由度方面显著优于传统合金体系，可在宽温域范围内实现性能优化与协同调控。镍基高温合金、铝合金及钛合金等材料经过多年发展，已形成面向具体服役需求的成熟成分设计与制备技术体系，相关配套工艺经过充分验证，构建从铸造、锻造到变形加工乃至后处理的完整工艺链条。然而，高熵合金目前仍处于基础研究阶段，其工程应用面临以下突出问题：
（1）成分-组织-性能的对应关系及其预测方法尚不完善。高熵合金广阔的成分设计空间为组织和性能调控提供丰富可能，但合金组织及缺陷（如基体相类型、析出相、晶界、位错等）如何影响强度、塑性、耐蚀性等性能，仍缺乏有效的预测手段。即使是微小的成分变化所引发的组织演变，也会显著影响强度、弹性模量、耐蚀性等关键性能指标。此外，在高温合金、钛合金等体系中成熟的力学、氧化及耐蚀性能预测模型，应用于难熔高熵合金、轻质高熵合金及共晶高熵合金时，均存在较大偏差。
（2）面向工程应用的大尺寸复杂构件制备及配套技术发展滞后。目前，电弧熔炼、感应熔炼、粉末冶金、增材制造等方法均已用于高熵合金的制备，但大多局限于实验室尺度。与此同时，工程应用相关的配套技术发展不充分。例如，难熔高熵合金因高硬度、高强度特性，给后续表面加工和构件成形带来巨大挑战；3类高熵合金的表面防护涂层材料及工艺仍处于早期研发阶段，现有表面防护材料与技术对高熵合金的适用性尚待系统验证。
（3）服役可靠性数据严重缺乏。当前关于上述3类高熵合金及其他合金体系的工程应用数据，绝大多数局限于拉伸、压缩等静态力学性能，而在疲劳、持久、蠕变、应力腐蚀、组织稳定性等方面的性能数据严重匮乏，相关的数据库和标准体系尚未建立。同时，面向特定服役场景的性能评估方法与测试装置也不完善。以难熔高熵合金为例，1600 ℃及以上超高温条件下的力学、氧化等性能的测试设备与评价方法尚不成熟，尤其是在如何实现合金体系快速筛选方面，仍面临成本高、难度大、准确性差等突出难题。
因此，高熵合金的发展应在性能优势基础上进一步聚焦服役行为调控与工程应用验证，以实现从材料设计到实际服役性能的跨越。

3 高熵合金的国际研发态势与战略规划

高熵合金凭借其独特的物理、化学及力学特性，已成为支撑新一代航空航天装备及极端环境应用的核心热点材料。目前，美国、欧洲、东亚等国家和地区正持续加大科研投入，形成全球化的研发竞争格局。相关研究已从早期的成分探索深入到多维度的机理阐释，研究涵盖高熵合金的组分优化筛选与先进制备工艺、相演变动力学与形成规律、高强韧化设计及其微观机制，以及在超高温、极低温、强辐照、极端腐蚀等严苛服役环境下的性能评价与演化规律。这些深入的理论研究正加速推动高熵合金从基础科学探索向工程化应用阶段跨越。本章将重点围绕高超声速飞行器及新一代航空动力系统对材料超高温稳定性、比强度极限及极端服役可靠性的严苛要求，剖析北美、欧洲、亚洲地区主要经济体的研发布局。

3.1 北美地区

美国将高熵合金视为保障其全球航空航天技术领先地位的战略支点，设立高熵合金联合中心，开展高熵合金及高熵材料相关研究。美国国防部高级研究计划局（defense advanced research projects agency，DARPA）于2018年11月针对高超声速飞行器冷却用新型材料的需求，发布了“高超声速材料结构与表征（materials architectures and characterization for hypersonics，MACH）”项目[110]。该项目将难熔高熵合金及其复合架构视为突破高超声速飞行器“热障”瓶颈的关键路径，主要包括两部分：一是基于可扩展的近净成形制造技术和先进的热设计开发用于冷却前缘部件的集成被动热管理系统；二是聚焦于下一代高超声速材料研究，利用现代高保真计算能力，开发5倍音速以上的高超声速飞行器冷却用新型被动和主动热管理、涂层及材料。
2020年4月21日，美国能源部的能源高级研究计划局（advanced research projects agency-energy，ARPA-E）发布“超高温致密耐蚀材料——涡轮增效技术（ultrahigh temperature impervious materials advancing turbine efficiency，ULTIMATE）”专项，该项目涵盖20项子项目，其目标是开发应用于燃气轮机的新型超高温结构材料，材料本身能够独立在1300 ℃下长期服役，或者在有涂层条件下保证燃气轮机的进口温度在1800 ℃及以上[111]。项目分为两个阶段：第一阶段，项目研究团队通过建模及实验室级标准拉伸试样的基础性能测试，验证其设计的合金成分、涂层、制造工艺可行性；第二阶段，通过前期评审的项目团队对选定的合金成分和涂层开展研究，系统评估其物理、化学、力学性能，并试制通用型小型涡轮叶片，进而验证其可制造性。ULTIMATE专项受资助单位包括雷神公司、波音公司、麻省理工学院、橡树岭国家实验室等。资助的20项子项目中，有10项与高熵合金相关，见表5[111]。这充分说明高熵合金，尤其是难熔高熵合金，在突破传统镍基高温合金承温极限、满足航空发动机及燃气轮机极端服役需求方面的核心战略地位。
表 5 美国国防部高级研究计划局ULTIMATE专项部分资助项目[111]

Table 5 Partial projects of ULTIMATE program funded by advanced research projects agency-energy[111]

Project Project undertaker Funding amount/104 USD
Computationally guided oxide dispersion-strengthened refractory HEAs via additive manufacturing Raytheon Technologies 120
High-throughput computational guided development of refractory complex concentrated alloys-based composite West Virginia University 109
High entropy rare-earth oxide (HERO) coatings for refractory alloys University of Virginia 103
Designing novel multicomponent niobium alloys for high temperature：integrated design，rapid processing and validation approach The University of Utah 369
Concurrent design of a multimaterial niobium alloy system for next-generation turbine applications QuesTek Innovations 315
Additive manufacturing of ultrahigh temperature refractory metal alloys University of Wisconsin-Madison 110
Rapid design and manufacturing of high-performance materials for turbine blades applications above 1300 degrees celsius National Energy Technology Laboratory 118
Design and manufacturing of ultrahigh temperature refractory alloys Pennsylvania State University 401
Development of niobium-based alloys for turbine applications Oak Ridge National Laboratory 110
Ultra-high performance metallic turbine blades for extreme environments Boeing Company 183
2021年，在美国DARPA的资助下，由美国空军研究实验室牵头，联合国家政府部门（能源部、商务部等）、国防军事部门（海空军、作战能力发展司令部、美国国家航空航天局（national aeronautics and space administration，NASA）等）、科研机构（约翰霍普金斯大学、田纳西大学等）、企业（波音公司、GE公司、雷神公司）以及日本、澳大利亚、印度、韩国等国家相关机构，向美国军政学商界提出实现高熵合金革命性应用的未来发展路径和高熵合金的16个潜在应用领域[112]。依托美国政府及相关企业，预期总投入超过2亿美元，其中仅在具有超高温应用前景的难熔高熵合金领域预期投入超过4000万美元（表6[112]），以期占领高熵合金技术制高点和军事、商业应用先机。
表 6 难熔高熵合金发展规划[112]

Table 6 Future plans of refractory high-entropy alloys[112]

Research contentExpected timeExpected funds
A specific search strategy to explore Refractory HEAs and high entropy ceramics (HECs) for two-to-three DoD-relevant high-temperature structural applications1 year106 USD
Develop new synthesis methodologies for establishing HEA materials libraries3 years5×106 USD
Develop post-synthesis thermomechanical processing techniques2 years3×106 USD
Design an autonomous materials research (AMR) platform for HEAs5 years107 USD
Establish high-temperature， high-throughput tests2-10 years6×106-107 USD
Establish a database and common data schema and infrastructure for high-throughput HEA data1 year106 USD
Develop validated machine learning (ML) models for phase and properties predictions3-10 years107 USD
Engage in Feedstock Production and Scalability ResearchSustained investment106 USD/year

3.2 欧洲地区

欧洲国家同样全方位支持航空动力系统用高熵合金领域：法国提出《Advanced high-entropy alloys development（AHEAD）for TURBO machine applications》计划；丹麦成立高熵合金促进中心等；欧洲科学基金、德国科学基金会、法国国立科学研究院、瑞士科学院、芬兰科学院也对高熵合金的研究提供经费支持，例如，法国国家研究中心和赛峰公司支持航空航天800～1000 ℃低压涡轮用高熵合金的研发项目，英国罗-罗公司正在加大力度研究用于高温环境的高熵合金新材料。作为高熵合金研究发起单位，Cantor教授的课题组除了获得英国政府的支持，还得到来自美国空军研究实验室、洛克希德·马丁公司等机构和公司的支持。德国科学基金会设立复杂成分合金-高熵合金专项资助项目，支持德国马普钢铁所、慕尼黑联邦国防军大学、明斯特大学、波鸿鲁尔大学、埃尔朗根-纽伦堡大学等研究机构与印度、斯洛伐克、美国等国家围绕高熵合金及复杂成分合金设计、制备、性能调控等展开深入合作，其中与航空航天领域应用高熵合金的项目如表7[113]所示。
表 7 德国科学基金复杂成分合金-高熵合金专项部分资助项目[113]

Table 7 Partial projects funded by the special program for complex composition alloys-high-entropy alloys of German research foundation[113]

ProjectProject undertaker
Design and mechanical properties of compositionally complex alloys from twinning-induced towards bidirectional transformation-induced plasticityMax Planck Institute for Sustainable Materials and Ruhr University Bochum
Phase stability，precipitation kinetics，nanoscale elemental distributions and their effect on tensile properties in refractory TiZrNbHfTa BCC high-entropy alloysRuhr University Bochum
Polycrystalline high entropy superalloys (PHESA)-combining novel strengthening mechanisms in compositionally complex CoNiCr-based superalloys with a large fraction of multicomponent intermetallic precipitatesUniversity of Erlangen-Nurnberg
Tailored precipitation (B2，L21) strengthened，compositionally complex FeAlCr (Mn，Co，Ni，Ti) alloys for high temperature applicationsRuhr University Bochum，University of Erlangen-Nurnberg，and RWTH Aachen University
Mechanical properties and hydrogen tolerance of particle-reinforced CCA produced by additive manufacturingMax Planck Institute for Sustainable Materials and University of the Bundeswehr Munich
Development of refractory metal-based CCAs with improved mechanical propertiesUniversity of Siegen and Karlsruhe Institute of Technology
Thermomechanical properties and microstructure of FCC and BCC high-entropy alloysUniversity of Muenster and Technical University of Darmstadt
Deformation mechanisms in FCC and BCC high entropy alloys under various conditionsRuhr University Bochu and Karlsruhe Institute of Technology

3.3 亚洲地区

作为全球最早开展高熵合金研究的中国台湾，于2017年设立“高熵合金基础及应用”专项支持项目[114]。该项目在理论层面聚焦于材料物理本质的同时，重点瞄准航空航天动力系统与能源装备的服役需求，特别资助高熵高温合金的科学原理研究；在结构应用上，通过定制化异质结构实现富钛轻质中熵合金的强塑性协同，获得满足空天结构减重需求的高比强度材料；此外，布局轻质CoCrNi（Si/Al）体系及用于高频通信、光电子元件等机载核心设备的高性能高熵材料开发。
日本文部科学省在“Grant-in-aid for scientific research on innovative areas（research in a proposed research area）”资助项目中设立“高熵合金——基于新材料学原理的元素多样性与不均匀性”专项[115]，支持京都大学、大阪大学、东北大学、名古屋大学、美国俄亥俄州立大学、法国巴黎大学、德国拜罗伊特大学、韩国浦项科技大学和台湾国立清华大学围绕高熵合金的计算设计、组织控制和制备开展研究，为精密空天构件的材料设计和制备奠定理论基础。
韩国国家科学基金会设立未来材料探索项目（future materials discovery project），项目分为2016～2022年和2023～2027年两个阶段，重点支持钛基中熵轻质合金、超高强韧高熵合金、AI辅助的高性能高熵催化剂、高熵超导薄膜、动态析出强化中熵合金等[116]，以应对下一代航空航天装备对高载荷与轻量化的双重挑战。
自2004年高熵合金概念诞生以来，中国在高熵合金领域的研发力量已构建起全球最活跃的生态体系。北京科技大学、西北工业大学、大连理工大学、哈尔滨工业大学、中南大学、上海大学、太原理工大学、中国科学院等高校与科研院所在高熵合金的成分设计、制备、强韧化机理、潜在应用等领域进行深入研究。在国家“十四五”规划及新材料发展指南的驱动下，高熵合金的战略定位已由基础探索明确转变为突破航空发动机高温端部件、深空探测极端辐照、深海高压等极端环境下材料瓶颈的关键。

4 高熵合金的工程化应用前景与挑战

目前，高熵合金凭借其卓越的物理、化学、力学特性，已建立起庞大的材料体系，科研重心正经历从“基础理论探索”向“航空航天等工程化需求驱动”的战略转型。根据Global market insights发布的《High entropy alloy market size and share 2025-2034》报告显示，2024年全球高熵合金的市场份额约12亿美元，2034年预测翻番至24亿美元，如图5所示[117]。增长动力主要源于航空航天领域用轻质高强合金、极端环境下耐蚀耐温构件等。报告中同时指出高熵合金发展存在的两个主要问题：缺乏商业化规模生产基础和合金服役性能评估标准。
图 5 不同体系高熵合金的市场份额[117]

Fig.5 Market share for various system of high-entropy alloys[117]

除上述技术挑战外，经济性与可持续性也是制约高熵合金大规模工程应用的关键因素。Gorsse等[118]针对高熵合金中Al、Co、Cr、Cu、Fe、Hf、Mn、Mo、Nb、Ni、Re、Ru、Si、Ta、Ti、V、W、Zr 18种常用元素，构建涵盖经济、环境及人力资源成本3个维度（共9项细分指标）的综合评估体系，如图6所示，图中蓝色、橙色、绿色、红色数值区域分别代表钢、镍基高温合金、FCC结构高熵合金和BCC结构高熵合金，对应颜色的水平线分别代表4种合金在各细分指标下的中位值。通过多准则对比表明钢、镍基高温合金、FCC-HEAs和BCC-HEAs在原料成本、循环利用率、环境足迹等方面的可持续性差异。这一评估不仅量化高熵合金的成本门槛，也为未来低成本、绿色化高熵合金的成分设计与资源配置提供重要的科学参考。
图 6 钢、镍基高温合金、FCC-HEAs和BCC-HEAs（主要为难熔高熵合金）发展可持续性对比[118] 　（a）售价；（b）供应风险；（c）供应受限归一化脆弱性；（d）内含能；（e）用水量；（f）矿盐金属比；（g）人体健康损害；（h）人权压力；（i）劳工权益压力

Fig.6 Sustainability comparison of steels，Ni-based superalloys，FCC-HEAs，and BCC-HEAs (mainly refractory HEAs) [118]　 (a) mass price；(b) supply risk；(c) normalized vulnerability to supply restriction；(d) embodied energy；(e) water usage；(f) rock to metal ratio；(g) human health damage；(h) human rights pressure；(i) labor rights pressure

通过剖析美国、欧洲对高熵合金的优先资助方向发现，主要发达国家高熵合金的研究正加速向“需求牵引、场景驱动”转型。聚焦从潜在应用场景出发，以需求为导向开展高熵合金的基础和应用基础研究，设计特殊性能高熵合金，并突破相关的制备加工工艺，制备出用于极端服役工况条件且综合性能优异的高性能高熵合金材料及构件，并重点聚焦轻质高熵合金、耐高温高熵合金、抗辐照高熵合金等方向[119]。
为了实现高熵合金从实验室到工业端的跨越，亟须解决以下制约其工程化应用的关键共性科学技术问题：
（1）突破传统材料性能极限的高熵合金组元体系设计与遴选
高熵合金打破传统合金以单一元素为主的限制，其组元选择范围极广（涉及数十种常用元素）。若按5～7种组元进行排列组合，其成分空间超过12万种。如何在浩如烟海的成分空间中，精准遴选出兼具优异性能与化学稳定性的合金体系，是首要的关键科学问题。目前，人工智能（artificial intelligence，AI）与计算材料学的深度融合，为突破这一“成分陷阱”提供高效的解析工具，同时在成分设计、相预测、性能预报、工艺优化等方面也存在小样本、异质性等问题。针对RHEAs高温抗软化能力与室温脆性的耦合设计、LWHEAs密度与比强度的权衡以及EHEAs共晶组织的热稳定性调控，当前亟须突破小样本数据下的AI性能预报难题，必须建立从成分筛选、相结构预测到性能预报的闭环体系，填补CALPHAD在复杂多相高熵体系中的数据库空白，实现从“海量试错”向“计算设计”的研发转型。
（2）高熵合金巨大成分空间的集成计算与高通量快速优化技术
针对航空航天领域对材料近乎苛刻的服役要求，亟须建立基于材料基因工程的研发范式。通过集成计算材料工程（integrated computational materials engineering，ICME）与高通量实验手段的紧密结合，实现“计算预测-快速制备-自动表征”的闭环迭代。同样由于高熵合金复杂的成分，其严重的晶格畸变使得基于理想晶格势函数的经典原子模拟方法精度受限，短程有序现象的存在进一步增加多组元体系能量描述的复杂性，合金成分的微小波动也可增大性能数据的离散度。作者在国家重点研发计划的支持下，开展基于激光增材制造与同步辐射原位表征的高通量研究，旨在大幅缩短从成分筛选到性能验证的周期。
（3）高熵合金复杂构件的高质量、高效率制备与成形技术
高熵合金组元复杂且含量接近，在铸造过程中极易产生化学成分偏析、组织不均匀等缺陷。以具备优异塑性的Ti-Zr-Nb-Al系轻质难熔高熵合金为例，随着构件尺寸增大，冷却速率下降不仅会增大铸态合金的晶粒尺寸，更会导致合金的相组成由B2转变为B2+Zr5Al3，脆性金属间化合物的形成使实验室级试样优异性能几乎消失[120-121]。增材制造技术凭借其超常的凝固速率和净成形优势，在制备高性能高熵合金构件、涂层及薄膜方面展现出显著潜力。目前，磁悬浮熔炼技术与等离子旋转电极制粉技术的进步，已为高熵合金的增材制造奠定高品质原材料基础。但是，增材制造的快速凝固过程导致的非平衡凝固组织、残余应力大、裂纹敏感性高、力学性能各向异性和批次稳定性差是需要解决的迫切问题。激光增材制造AlCrFe2Ni2合金过程中，较低冷却速率可以获得BCC+B2双相组织，而较高冷却速率仅能获得B2单相[122]。此外，增材制造制备试样热处理过程中组织变化还受热处理冷却速率的影响，高热处理冷却速率会加速Al0.5CoCrFeNi合金中FCC相向BCC/B2相转变[123]。因此，突破“实验室尺寸”的限制，开发适用于大尺寸、复杂薄壁构件的精密成形及后处理技术，是实现工程化应用的必由之路。
（4）寻求高熵合金性能与成本协同优化的“高性价比”成分区间
材料演化虽呈现“熵增”趋势，但实验证明混合熵与宏观性能并非简单的线性正相关。盲目追求极致的高熵化不仅无法实现性能的持续优化，反而会因组元过多导致成本激增及回收难度加大。因此，不应单一追求“高熵”，而应综合权衡 “性能-成本-工艺性”，在多维空间中寻求最优的“性价比”平衡点。例如，开发“去贵金属化”的新型共晶体系，通过计算材料学精确预测共晶点，在满足航空航天应用指标的前提下，实现材料性能与经济成本的协同优化。
（5）面向极端服役场景的全方位性能评估与数据库建设
航空材料对疲劳、蠕变、高温持久等性能要求极高。当前针对RHEAs、LWHEAs和EHEAs的研究多侧重于拉伸、压缩等静态力学性能，而对疲劳、高温持久、高温蠕变等决定工程寿命的动态性能研究严重滞后，相关数据积累严重缺乏，针对1300 ℃以上航空航天典型服役环境的难熔高熵合金评价方法与测试标准仍处于空白，相关标准及数据库也尚未建立。
综上所述，高熵合金正处于从“理论发现”向“工程突破”跨越的关键转型期。面对其近乎无限的成分空间与极端服役环境的严苛要求，传统的“试错法”已难以满足现代工业的研发效率。未来，高熵合金的工程化之路将深度依赖人工智能驱动的材料设计、集成计算材料工程、增材制造等先进成形技术的协同发力。在追求性能极限的同时，必须将经济可行性与资源可持续性纳入核心评价体系，通过构建全生命周期的服役数据库与标准化评价准则，打破“实验室样品”与“工业化构件”之间的壁垒。随着成分优化、制备工艺与成本控制平衡点的达成，高熵合金必将在航空航天等战略领域发挥不可替代的作用，成为支撑新一代“大国重器”的核心物质基础。

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