高熵合金是由多种比例大致相等的金属形成的合金，具有许多卓越性能，如抗断裂能力、抗拉强度、抗腐蚀及抗氧化特性等，为定制满足不同应用需求的材料提供了变革机会，将“应用已有材料”范式转移到“按需设计材料”。高熵合金将凭借卓越的材料性能，使其高性能制品在国际市场上具有竞争力。高熵合金还可为制造商提供新的选择，以生产稀有的、危险的、昂贵的、或受国际限制或具有利益冲突影响的材料的替代品。高熵合金在多个不同领域都具有潜在优势，不仅可加速经济增长及提升美国国内竞争优势，而且还将有助于应对紧迫的社会挑战。高熵合金主要应用领域包括固态冷却、液化天然气处理、抗降解核材料、耐腐蚀热交换器、高温能源效率的提升、高性能航空航天材料、超硬弹道、坚固耐腐蚀的医疗设备和磁共振成像技术等。

高熵钢铁与传统钢铁相比具有更强的极限抗拉强度和断裂总伸长率

    一、美国高熵合金制造业发展面临的八个挑战

    制造商和高熵合金专家认为美国在高熵合金制造流程、测试、数据以及必要的知识、工具和资源获取方面遇到了一些挑战。主要表现为以下8个方面：

    （1）工艺限制：从温度到杂质再到氧化，高熵合金需要面临独特的制造工艺挑战，而传统工艺如铸造、热机械加工、连接和增材制造还没有克服这些挑战。

    （2）合金识别：为了快速经济地制造出满足需求的合金，研究人员需要用于合金识别、建模和设计的相关工具。但是目前的工具缺乏准确性、速度和可靠性。

    （3）杂质：目前的制造方法不能生产具有所需纯度的高熵合金。

    （4）原料和原材料：元素、纳米颗粒和母合金的质量不高，或者对于研发人员和制造商来说开发和量产高熵合金的制造成本太高。

    （5）高通量实验表征：合金的实验表征从发现到开发再到放大是至关重要的。现有的实验设备要么不足，要么难以让研究人员对高熵合金进行表征。

    （6）建模和仿真数据：从理解微观结构到优化制造过程，数据对于建模和模拟高熵合金是必不可少的。但目前数据尚未集中，数据之间不一致且不能随时可用。

    （7）中级规模示范：虽然高熵合金制造界在生产小型合金样品方面取得了进展，但是制造工艺规模化所需的设备却非常缺乏。

    （8）与行业保持一致：高熵合金制造业界之间缺乏合作，使得高熵合金制造研究与行业需求很难保持一致。资源、工具和数据不能在整个业界中实现很好地共享和使用。

    二、提出的四项可行性建议及相关注意事项

     为确保美国高熵合金领域的科学发现带来新的经济机会和技术优势，需要进行战略投资和协调。本报告为提高美国制造业在高熵合金中的竞争力提出了4条可行的建议。

    （1）通过投资推动高熵合金制造关键技术的转化研究。主要包括合金识别、熔化、铸造、热机械加工与连接、基于粉末线材和涂料的制造、建模等。这需要一项多机构联邦研究计划，以集中精力推进最有前途的新兴制造技术，并解决商业化生产和使用之间的障碍。

    ①合金识别：需要更好的工具来探索高熵合金的广泛设计空间，以识别具有所需特性的可制造合金。具体的研究主题包括：以多种复杂性和准确性链接多保真模型和实验相关的工具。最优方案是计算密集型模型与快速、低成本的实验相结合，以适度的时间和成本费用提供适度的准确性和确定性，这就需要研究多保真层之间的连接优化方案同时对数据进行集成；简化工具以期发现性能优异的合金，连接和集成原有孤立的建模工具和数据集。在考虑了制造因素的同时实现无缝、快速、有效的基于标准的成分和微观结构空间探索；研制用于识别可制造的耐火合金的工具，以满足合金独特的性能要求和制造需求。

    ②熔化：高熵合金的复杂化学成分对熔化提出了独特的挑战。具体的研究主题包括：扩展现有熔体工艺的能力，包括熔点高于1500℃的合金技术，间质合金及具有复杂成分的化学品的处理技术，以及可以提高电磁搅拌均匀性的相关技术；新颖的电磁和定向能量感应，以确保熔融合金具有均匀的化学成分及对不需要的相态进行控制；标准化、更清洁的母合金，可简化熔化过程并减少杂质；分析工具可将熔体加工参数与杂质积累和夹杂物的形成相关联。

    ③铸造：将熔融合金铸造成最终形状或铸锭，以便后续加工。具体研究主题：应扩展热顶铸造方法，以解决高熵合金铸造的独特凝固途径和动力学；应该进行流变铸造，在铸造中使用半固态合金，以实现铸造高熵合金的低孔隙率，低收缩率和良好的机械性能；在大温度范围内需要高精度冷却速率控制方法，以在高熵合金铸造和热处理过程中严格控制凝固路径，以减少孔隙率、偏析等铸造挑战。

    ④热机械加工与连接：合金通常通过热处理和机械加工进行精炼，以获得所需的合金性能。

    存在的不足：尚未全面理解杂质对高熵合金形变的影响；尚未充分研究焊接性和整体性，使其无法为连接技术提供信息；缺乏焊接和连接高熵合金的工艺模型；缺乏高熵合金的热机械加工策略。

    具体的研究主题：高温热轧技术和模具材料，包括允许加工高温高熵合金的润滑剂；可增加高熵合金均匀性的热轧方法；用于高熵合金的可快速启动和停止“小型轧机”，可快速测试小批量生产的产品质量；理解从热机械和连接过程中微观结构的变化，包括焊接，轧制和成形对其产生的影响，以克服传统加工和连接方法的局限性。

    ⑤基于粉末、线材和涂料的制造：除了解决熔铸工艺中的挑战外，还要集中精力研究以下主题：粉末和线材生产工艺的进一步优化，包括新型非雾化粉末制造途径、表面钝化方法和雾化工艺，这些工艺在与高熵合金相关的粉末生产方面表现优异。当前对耐火材料和活性颗粒的相关研究比较缺乏，但该项研究却至关重要；粉末和涂层质量的模型化，包括制造工艺和合金性能之间关系的模拟。研究还应确定适用于增材制造工艺的合金组合；新颖的添加工艺，包括对传统粉末添加工艺的修改，以及高熵合金的热、冷喷涂、等离子涂层和机械合金化工艺的优化；能有效控制沉积速率和混合剂量的多种元素溅射喷涂技术。

    ⑥建模：高熵合金的复杂性需要改进现有模型并制定基准模型。具体的研究主题为：与高熵合金相关的制造工艺模型，包括高温下合金的粘度、扩散性、焊接和钎焊对微观结构、能量使用、成本和比例定律的影响。可靠的工艺配方，标准的制造实践和高度的可行性可促进模型向产品过渡；关键高熵合金特性和工艺的模型，包括相体和整体微观结构的稳定性、高温热力学、凝固路径、氧化物形成和Hall-Petch强化。应考虑其他结构和制造工艺，扩展现有模型；与制造、微观结构和性能相关的模型，包括动力学和微观结构之间的关系，以及所得微观结构如何改变延展性、断裂、韧性和蠕变等机械性能。缺陷和微观结构演变（例如晶格和相稳定性）之间的关系以及由此产生的对机械性能的影响也需要模型。从制造经济学的角度来看，还需要模型来评估不同的原料杂质水平对合金性能和成本的影响程度；开发和扩展新颖的建模方法，包括改进PHAse Diagrams计算方法和工具在高熵合金中的应用，提高准确性，评估不确定性和数据库响应能力。其他重要的新兴建模方法包括密度泛函理论、特殊准随机结构方法、原子势方法、空位扩散率、从头算分子动力学、混合蒙特卡罗/分子动力学和相干电位近似。机器学习和深度学习提供了另一条新兴路径，它具有建模高熵合金行为和与各种建模方法集成的巨大潜力；基准模型用于验证其他模型的准确性和范围。

    （2）建立国家测试中心，开发新型高通量测试方法，并进行合金发现和表征的高通量测试。重要的进展将包括自动化的大规模并行机械、环境和功能测试，如纳米压痕、自动化X射线表征和并行剪切冲压。该中心将与管理机构合作，制定标准和基准，并通过国家测试合作实验室，建立和协调材料测试能力。

    从最初的合金发现到模型开发，再到制造过程的改进和验证，再到零件认证，实验测试渗透到高熵合金制造过程的所有部分。高熵合金拓宽了材料科学的范畴，同时也拓宽了当前可用的机械和功能测试的局限性。高熵合金独特的成分复杂性使得难以使用诸如层析成像和X射线衍射这样的传统工具来评估和表征。目前还没有用于高通量机械测试的实用的、省时且低成本的方法。

    实现机械和功能测试还存在一些挑战：

    ①样品制造：高熵合金研究和制造的利益相关者一直在寻求可以消除样品测试不确定性的合适的测试方法；②尺寸规模：实验方法不能提供高通量实验所需的小尺寸测量，特别是拉伸强度和延展性等关键性能领域的测量。机械性能对长度尺度敏感，克服此挑战可以增进对材料性能的全面理解；③复杂性测试：很难测试高温环境中合金的复杂载荷，与环境相互作用等性能；④高通量测试方法：预测相平衡阶段和相图的高通量计算能力正在迅速发展并且已经取得了长足进步，但一些严重的材料缺陷仍然需要高通量实验来评估。由此关键数据的缺失将继续阻碍建模、模拟及合金识别的相关进展。

    高通量测试领域发展存在的不足之处为：缺乏可同时测量合金强度和延展性、蠕变、疲劳、断裂韧性、弹性模量和平行韧性转变温度（DBTT）的测量方法；还需进一步研究径向分布函数（RDF）的有序性和合金结构，以及中等规模合金的同质性测试，优化材料的化学和微观结构；了解合金对高温、快速氧化测试及对辐射的响应能力；改进对合金的热，电，磁和磁热等性能的测量方法。

    ⑤标准化：测试和结果数据不一致，缺乏共同的分类法和不同利益相关者之间通用的语言。此外，缺乏关于这些复杂合金的化学验证的可靠标准。

    需要注意9个领域的发展：薄膜的高通量测量与块体材料特性的相关性；低温测试与高温测试的相关性，以此实现性能提升的同时降低成本；与实现批量生产性能相关的常见测试方法的不确定性分析；用于测试的通用分类法和语言以及高熵合金的结果数据；高熵合金的化学验证标准；用于认证和验证高熵合金的无创评估结果的标准；建立原料（粉末和线材）的标准并明确其定义，以确定产品的关键参数；实现自动化的标准化测量；为高熵合金制造流程建立基准。

    （3）为高熵合金数据建立中央数据库。包括合金性能、制造工艺、参数和模型的理论和实验数据，以最大限度减少重复工作，并加速美国研究人员和制造商创新。

    建立包括合金属性，制造工艺和参数以及模型理论和实验数据的高熵合金中央数据库。验证并组织从公共和私人利益相关者处收集得到的数据，然后将其提供给美国研究人员。

    建立数据库的必要性或作用有以下几点：①避免重复工作：避免每个研究小组为了解该领域的发展状况而进行冗余的文献综述；②扩展分析方法：增强使用高级分析（如机器学习）方法来提升高熵合金设计的能力；③改进复杂分析模型：只能从综合数据分析中发现合金的物性变化趋势，强化机械建模功能对于相图的化学和热力学数据非常重要；④考虑不利的结果：不总是公布不利的结果，但它们对于推进该领域发展和确保有效的资源分配至关重要；⑤促进领域发展：数据通常通过实验和设备（例如同步加速器）以高速率生成，并且分析必须保持同步，得到的分析结果有利于促进该领域的发展。

    建立数据库主要包括搜集数据、数据的验证、数据的组织及获取等四个部分。

    （4）通过降低先进制造方法、表征工具和计算能力相关联邦设施和专业知识的获取门槛以加强合作。实验室之间以及工业界和学术界之间的合作将推动高熵合金的商业化生产。此外，成立一个跨学科的工作小组加强协作，就制造技术路线图、研究重点、标准、知识产权、技术转让等问题提供实时信息，以促进领域发展。

    建立咨询组。建立咨询组是促进高熵合金在多个领域发展和商业化的理想方法。咨询组将协调资源分配，并提供一种机制来识别和关注共同的竞争前挑战。建议首先组建一个行业范围的专业咨询小组，由来自行业界（大型、小型和初创公司）、学术界、联邦实验室和相关联邦机构的成员组成。该小组的目标是在跟踪研究和开发进展的同时，识别和确定技术挑战与市场机会。该小组的两项具体任务是制定路线图以指导短期、中期和长期的研发工作，并根据对一系列高价值应用、生产成本和竞争环境的有效分析，确定商业机会的优先顺序。

    路线图。高熵合金涉及广泛的材料和应用，这使得在研究和资源分配上很难达成共识。然而，在明确了解成功的可能性及有效途径的专家的适当参与下，指导投资的路线图对于推动该领域的发展既可行又必不可少。路线图至少应该解决以下任务：确定并评估最有前途和最先进（接近生产）的工艺技术，以实现不同类型高熵合金的可扩展性和适用性；将特定的新兴制造技术解决方案与具有国家优先权（例如国防、能源和健康）的目标应用领域相匹配；制定协调资源和加速创新的长期战略。在制定路线图后，咨询小组将跟踪实现路线图目标的进展情况。该小组还将直接与相关研究人员和行业参与者合作，以确定行业参与早期研究的机会，并加速向美国公司的许可和技术转让。

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责任编辑：王元

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