高熵合金成人禮

陳頌陽(yáng)，王璐，邱曉清，李文章，程新園,＊

1中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083

2中南大學(xué)粉末冶金研究院，長(zhǎng)沙 410083

自青銅鐵器時(shí)代以來(lái)，合金家族已有幾千年的歷史。大多數(shù)合金家族的成員都是以一種或兩種主要元素作為基因，例如合金鋼是Fe元素和C元素的結(jié)合，并在此基礎(chǔ)上使用合金特有的基因編輯技術(shù)，加入其他元素基因，以提高合金的性能。但近年來(lái)，合金家族的成員們都逐漸遇到了自己難以突破的瓶頸。20世紀(jì)90年代，得益于熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)[1]，高熵合金(HEAs)應(yīng)運(yùn)而生。溶液體系熱力學(xué)理論的知識(shí)告訴我們，理想溶液混合過(guò)程，熵值增加，ΔmixS= -R（nAlnxA+nBlnxB+ …），混合吉布斯自由能會(huì)相應(yīng)降低，ΔmixG=RT（nAlnxA+nBlnxB+ …）[2]。高混合熵會(huì)降低ΔmixG，在所有可能形成的相中，固溶相的ΔmixG是最低的。因此高混合熵會(huì)促進(jìn)合金的無(wú)序化，由多主元合金形成的簡(jiǎn)單固溶體結(jié)構(gòu)，成員之間相容性更高，結(jié)構(gòu)往往更穩(wěn)定[3]。

但根據(jù)傳統(tǒng)合金的經(jīng)驗(yàn)，在多主元合金體系中將會(huì)形成大量的金屬間化合物或其他復(fù)雜相[4]。高熵合金的提出被認(rèn)為是離經(jīng)叛道而備受質(zhì)疑。

然而就在2004年的一個(gè)晚上，體內(nèi)蘊(yùn)含著五種等比例金屬基因的多主元合金——高熵合金(HEC)[3]在熔煉爐里發(fā)出了第一聲啼哭，葉均蔚教授充滿了期待和好奇，眼神中還帶有一絲不確定，但更多的是興奮和激動(dòng)！

高熵合金，在這一天，成功問(wèn)世，在質(zhì)疑中開始成長(zhǎng)！

……

一晃十八年過(guò)去了，高熵合金的小輩們?cè)?023年迎來(lái)了他們的成人禮。

這一天，鑼鼓喧天，鞭炮齊鳴，各家各系，西裝長(zhǎng)裙。

鎂鋁合金作為合金家族最靚麗的風(fēng)景線，身著銀白色禮裙，站上了舞臺(tái)，卓越的身姿引得不少人尖叫歡呼。她走到舞臺(tái)中央站定，先向臺(tái)前鞠了一躬，不緊不慢地開始了今天的主持：“星辰不問(wèn)趕路人，時(shí)光不負(fù)追夢(mèng)人。高熵合金的孩子們，很榮幸能作為你們成年這一天的引路人。你們每一位成員都是我們合金家族的驕傲，希望你們能汲取九萬(wàn)里風(fēng)鵬正舉的力量，在未來(lái)的每一天都能取得進(jìn)步，也預(yù)祝各位今天能贏得更多的掌聲！”現(xiàn)場(chǎng)熱烈的掌聲如浪濤般經(jīng)久不息。

“讓我們有請(qǐng)今天第一位少年——耐磨高熵合金。”耐磨高熵合金整了整領(lǐng)帶，一遍又一遍地梳理自己的大背頭，滿意地對(duì)著鏡子里的自己打了個(gè)響指，大步流星跨上舞臺(tái)，向大家揮手道：“大家好，我是耐磨高熵合金，我拜于鈦合金和鐵合金[5,6]老先生門下，學(xué)習(xí)了多年的金屬切割本領(lǐng)，練就了一身耐磨耐高溫的硬本領(lǐng)。不僅如此，仰仗于高熵效應(yīng)，在切割過(guò)程中，溫度上升帶來(lái)的互溶性提高還能讓我的肌肉更有型和有力！”

說(shuō)著，他脫下外面的氧化西裝，開始展現(xiàn)自己的絕活，對(duì)一塊硬質(zhì)合金就開始了雕刻。隨著刀頭的極速旋轉(zhuǎn)，場(chǎng)上的溫度越來(lái)越高，耐磨高熵合金的身體也微微發(fā)紅，但他八塊腹肌和肱二頭肌周圍的線條肉眼可見地清晰了，吸引了一眾姐妹們的尖叫與歡呼。

“高溫難熔合金始終是航空航天的一塊心病，鎢合金和鉬合金兩位前輩一直在默默探索[7]。但是兩位先生雖然身形略顯瘦削，重量卻一點(diǎn)不輕，這也限制了他們?cè)诤娇蘸教祛I(lǐng)域的發(fā)展。高熵合金在兼顧兩位優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)通過(guò)替換部分基因，實(shí)現(xiàn)減肥的功效。讓我們有請(qǐng)難熔高熵合金閃亮登場(chǎng)?！?/p>

突聞入場(chǎng)口一聲響亮的大喊：“耐磨大哥身材還是那么健碩！”但見一人，面龐黢黑，一雙炯炯有神的眼睛里閃爍著嚴(yán)肅而堅(jiān)毅的目光，身著軍綠色軍裝，身型挺拔，邁著矯健的步伐走上了舞臺(tái)，在耐磨合金身邊站定，好似一塊磐石。耐磨高熵合金略微有些驚訝地說(shuō)道：“難熔合金兄弟，真是稀客啊，我還以為你趕不回來(lái)了?！?/p>

難熔高熵合金依然保持著英姿颯爽的立正姿勢(shì)，略表歉意：“平日里工作繁忙，確實(shí)回來(lái)得少，但成人禮還是一定要回來(lái)的！大家好，我是難熔高熵合金[8]，在國(guó)家航空航天基地工作，所以不常回家。如大家所知，火箭發(fā)射升空過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)得非?？?，這導(dǎo)致不少前輩承受不了工作環(huán)境而被迫退出。為了幫助發(fā)動(dòng)機(jī)兄弟可以成功完成任務(wù)，我應(yīng)征入伍，加入航空航天基地。自2006年參軍以來(lái)，我在鎢合金、鉬合金等多位前輩的指導(dǎo)下，已經(jīng)學(xué)習(xí)鍛煉16年。在1500 K溫度以上的環(huán)境中，我依然能堅(jiān)毅不倒，甚至充滿活力圓滿完成任務(wù)?！彪y熔高熵合金對(duì)著幾位長(zhǎng)輩行了舉手禮，幾位長(zhǎng)輩也笑著點(diǎn)了點(diǎn)頭。他繼續(xù)說(shuō)道：“2022年11月，由航天科技集團(tuán)一院研制的長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭成功將神舟十五號(hào)載人飛船送入太空(見圖1)，圓滿完成了中國(guó)空間站在軌建造階段的最后一次發(fā)射任務(wù)[9]。這其中，有鋁合金、鎂合金等前輩的卓越貢獻(xiàn)。目前我也跟著鋁合金、鎂合金兩位前輩學(xué)習(xí)新的減重技能，希望能借助兩位前輩的經(jīng)驗(yàn)，成為新一代航空航天材料的主力軍！也為鎢合金和鉬合金前輩實(shí)現(xiàn)太空夢(mèng)！”

圖1 神州十五號(hào)發(fā)射[10]

鋁合金贊許地點(diǎn)點(diǎn)頭，鎂合金也露出了微笑，雖然他曾竭力反對(duì)高熵合金的誕生，認(rèn)為那是對(duì)過(guò)去幾千年合金發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的褻瀆，但難熔高熵合金的表現(xiàn)在過(guò)去18年里一步一步地征服了他。目前鎂合金、鋁合金和高熵合金的后輩們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域都有不同程度的合作、交流和溝通，未來(lái)，他們也將帶領(lǐng)著合金家族重整旗鼓，走向下一個(gè)頂峰。

“接下來(lái)要上場(chǎng)的，是我們的化妝師，他就是高熵合金涂層?！?/p>

高熵合金涂層剛剛還躺在椅子上打盹，聽到自己的名字，立刻收起困倦，帶著瓶瓶罐罐走上臺(tái)。他整理了身上的裝備，鞠了一躬，熱情地說(shuō)道：“各位爺爺奶奶叔叔阿姨哥哥姐姐們，大家上午好！我叫高熵合金涂層，今天工作比較多，忘記卸下了身上的化妝品。我這些裝備的發(fā)展大多都建立在同胞們的基礎(chǔ)上，更離不開大家的鼎力相助。別看我身材這么瘦小，我的本領(lǐng)可大著呢！我化的妝可以讓兄弟們更加好看、能力更強(qiáng)，更兼顧其他意想不到的能力。我和耐磨高熵合金哥哥很早就有合作，在我的幫助下，合金刀頭可比原來(lái)厲害多了[11]，而且就像耐磨高熵合金哥哥所說(shuō)的，溫度越高我的結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定，也能提供更優(yōu)異的性能。雖然我還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全面應(yīng)用，但我可是極限雕刻切割條件下的不二之選?！迸_(tái)下漸漸地贊嘆紛紛。

高熵合金涂層的臉上充滿了藏不住的神氣：“不僅如此，我們還可以作為核燃料和高壓容器的熔覆材料、硬質(zhì)合金等材料的焊接釬料、銅與硅介質(zhì)材料的擴(kuò)散阻擋層等。我們未來(lái)的市場(chǎng)可大了！”說(shuō)著，還比了個(gè)夸張的手勢(shì)。

這時(shí)主持人鎂鋁合金感嘆道：“再多的石油也會(huì)有燃燒殆盡的一天，再多的煤炭終有用完的一天，新能源始終是當(dāng)今能源領(lǐng)域的研究前沿，而可控核聚變正是無(wú)盡能源的一大重點(diǎn)研究方向。實(shí)現(xiàn)可控核聚變的條件十分苛刻，硬件要求極高，這一點(diǎn)我們的釩合金[12]先生深有體會(huì)，我們的抗輻照高熵合金朋友也正在這一領(lǐng)域進(jìn)行探索?！?/p>

抗輻照高熵合金環(huán)顧四周，轉(zhuǎn)了一圈，左手撐起了腰桿，徐徐道：“核聚變不僅屬于清潔能源，污染小，而且每千克原料放出的能量是核裂變的四倍。這么龐大的能量沒(méi)有一個(gè)能裝的容器那可怎么行？我榮幸被賦予這一難題的攻克[13]！身為高熵合金系的我，在高溫下的穩(wěn)定性已經(jīng)由前幾位哥哥介紹過(guò)了，而最近我可是經(jīng)歷了高劑量金離子輻照，不僅沒(méi)有高強(qiáng)度損傷，還能優(yōu)秀地完成任務(wù)?！?/p>

臺(tái)下掌聲雷動(dòng)，幾位德高望重的家族長(zhǎng)老眼里也閃著金光，可控核聚變的意義是不言而喻的，而這一技術(shù)的突破也必將使得合金家族一舉站上材料領(lǐng)域金字塔塔尖的位置。

“不過(guò)，”一聲轉(zhuǎn)折，讓會(huì)場(chǎng)瞬間安靜了下來(lái)，“核聚變產(chǎn)生的輻射多為中子輻射，當(dāng)前我們還是以離子和電子輻照為主進(jìn)行測(cè)試[14]，中子輻照的實(shí)驗(yàn)我還沒(méi)嘗試過(guò)，但我一定會(huì)努力達(dá)到能承載核聚變反應(yīng)的要求。在成人禮之后，我也會(huì)肩負(fù)起我的使命，有一分光發(fā)一分熱！”

……

越來(lái)越多高熵合金的成員們上臺(tái)介紹了自己的發(fā)展和目標(biāo)，也宣誓了自己成年后的志向與目標(biāo)。今日他們相聚于此，明天他們就將各奔東西，去美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室、麻省理工學(xué)院，去日本東北大學(xué)，去中國(guó)中南大學(xué)繼續(xù)學(xué)習(xí)深造。未來(lái)他們或許都要面對(duì)著形成機(jī)理的未知而導(dǎo)致的無(wú)法確切定義與分類、性能的不可預(yù)測(cè)導(dǎo)致的計(jì)算模擬難、成本超出預(yù)期導(dǎo)致的工業(yè)應(yīng)用難、超高溫(1800 K以上)導(dǎo)致的高熵合金開發(fā)難、高熵效應(yīng)導(dǎo)致的熱力學(xué)相分解計(jì)算難等一系列難題[15]，但今天的他們是十八歲意氣風(fēng)發(fā)的小伙子，是合金家族走出開發(fā)瓶頸的一大希冀。

最后，高強(qiáng)鋼前輩上臺(tái)做了結(jié)束語(yǔ)：“今天很高興看到這么多年紀(jì)輕輕能力不凡的高熵合金年輕一輩，真是‘長(zhǎng)江后浪推前浪’。我學(xué)習(xí)了他們的高熵設(shè)計(jì)理念，也做了一些工作新嘗試，發(fā)現(xiàn)用新的思路設(shè)計(jì)我們這些老骨頭[16]，也有新發(fā)現(xiàn)。我們合金家族的成員要相互學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步。祝今天成年的高熵合金年輕一代，春風(fēng)得意馬蹄疾，一日看盡長(zhǎng)安花！”頓時(shí)會(huì)場(chǎng)響起一陣熱烈而持久的掌聲，如一團(tuán)熊熊燃燒的火焰，照亮每一位合金家族成員的心靈。

年輕的高熵合金，不一定是未來(lái)合金家族的唯一出路，但如白春禮教授[17]在21世紀(jì)元年所展望的那樣：“國(guó)民生活質(zhì)量的提高將得益于化學(xué)的發(fā)展，在化學(xué)的支撐下, 我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)將更上一個(gè)新的臺(tái)階！”高熵合金的發(fā)展也必將為化學(xué)材料領(lǐng)域提供新的成果，助力材料在機(jī)械制造、海洋工業(yè)、核能發(fā)電、航空航天、軌道交通等行業(yè)大放異彩！