随着科学技术的迅速进步，对先进金属系统的性能要求也日益提高，尤其是在涉及复杂载荷和极端环境的应用中[1]。在航空航天推进、发电、核能和国防等领域，结构材料需要在高温下承受高应力，并在长时间内表现出优异的蠕变和抗氧化性以及微观结构稳定性[2]、[3]、[4]。这些挑战在图1(a)所示的最先进航空涡轮发动机中得到了体现，其工作温度超过1000°C，部件必须保持数千小时的高强度[5]、[6]。在超音速飞行器中，条件更加极端，它们会经历空气动力加热、氧化降解和超过1200°C的严重机械应力[7]。此外，核反应堆和先进国防系统的应用要求材料具有出色的辐照耐受性、热冲击抵抗性和长期的结构稳定性[8]、[9]、[10]。因此，开发能够在现有高温合金极限之外可靠工作的新型多功能材料已成为当务之急。
镍基超合金历来是这类极端应用中的主导材料，这主要归功于它们独特的γ/γ′两相微观结构，这种结构结合了固溶强化和沉淀强化作用，并形成了保护性的氧化层[13]、[14]。镍基超合金的演化阶段及其主要强化机制如图1(b)所示。单晶镍基超合金的发展使得它们能够在接近1100°C的温度下可靠运行，成为涡轮技术的主力[14]、[15]。然而，它们约1350°C的熔点上限是一个根本性的瓶颈，限制了服务温度的进一步提升。此外，它们的高密度以及对镍（Ni）、钴（Co）和铼（Re）等昂贵且战略有限的元素的依赖性，对可扩展性和可持续性构成了挑战[13]。除了镍基系统外，钴基超合金也因其在高温应用中的潜力而受到关注[16]、[17]。早期的钴基合金主要通过固溶强化，因其优异的热腐蚀和抗氧化性而受到重视，但由于缺乏相干γ′相，其蠕变强度落后于镍基合金[18]。随着类似γ′的Co3(Al,W)沉淀物的发现，这一领域的研究重新焕发了活力[16]、[19]、[20]。这些合金在高温下表现出更好的强度，并保持了钴系材料的固有抗氧化性，为涡轮环境提供了潜在的优势[16]。然而，Co3(Al,W) γ′相的长期稳定性和钴的相对高密度仍然是挑战[21]。因此，当前的研究集中在合金化策略上（例如添加钽（Ta）、钛（Ti）、铌（Nb）和铬（Cr）），以稳定γ′相并增强蠕变和抗氧化性，旨在将钴基超合金作为下一代涡轮机的补充[22]、[23]、[24]、[25]。基于铌（Nb）、钼（Mo）、钽（Ta）和钨（W）的耐火合金长期以来被认为具有潜力，因为它们具有极高的熔点和在高温下的固有强度保持能力[26]、[27]。例如，钼基和铌基合金在1300–1500°C范围内保持良好的机械稳定性，而钨基和钽基系统在超过1600°C的温度下仍能保持稳定性[28]、[29]、[30]、[31]。这些特性使它们成为需要极端热韧性的应用的理想候选材料。然而，它们的应用受到了一些关键缺点的限制。钨（W）和钽（Ta）的密度过高，限制了它们在重量敏感的航空航天应用中的使用[32]、[33]。此外，许多耐火合金在室温下表现出脆性，这使得制造、连接和大规模加工变得复杂[34]。因此，尽管耐火合金扩展了工作窗口，但它们未能满足下一代能源、航空航天和国防系统所需的多功能性。
为应对这些挑战，耐火复合浓缩合金（RCCAs）的概念应运而生，包括耐火高熵合金（RHEAs），作为一种变革性的材料设计范式[35]、[36]、[37]。通过以近乎等原子比或高浓度比例结合多种主要耐火元素，RCCAs大大扩展了传统合金系统的组成设计空间[38]、[39]。它们的潜在优势源于四个“核心效应”[40]：（i）高配置熵，稳定了简单的固溶相并抑制了脆性金属间化合物的形成；（ii）严重的晶格畸变，增强了固溶强化并阻碍了位错运动；（iii）缓慢的扩散，减缓了蠕变、晶粒粗化和氧化动力学；（iv）协同效应，使得组成元素之间产生独特的协同作用，从而获得超出简单混合规则预测的性能[40]、[41]。这些机制共同支持了开发出在高温强度、微观结构稳定性和环境耐久性方面超越传统材料的合金。在现有的RCCAs系统中，NbMoTaW和NbMoTaWV系统在1000°C以上温度下表现出优异的强度[42]。然而，像许多早期的RCCAs一样，它们通常具有内在的脆性[42]、[43]。相比之下，一些RCCAs如TiZrNbHf和TiZrNbHfTa在室温下表现出更好的延展性[44]、[45]、[46]。这种性能多样性突显了RCCAs的广泛可调性，并为根据特定应用需求设计合金提供了机会[47]。最近，先进的合金设计结合了纳米沉淀强化，即在BCC基体中嵌入相干B2纳米沉淀物。这种结构模仿了镍基超合金的强化机制，同时将工作能力扩展到了更高的温度[48]。这些发展标志着从传统合金设计向新的、基于多主要元素范式的重大转变。
尽管RCCAs提供了有前景的高温强度和微观结构稳定性，但许多系统仍然存在室温延展性有限和抗氧化性不足的问题[36]、[37]。为了克服这些限制，最近的研究越来越多地关注异质结构设计作为增强机械性能的途径[47]。与单相均匀微观结构不同，异质结构的RCCAs有意引入软硬相域、多相架构或纳米级成分波动，以激活异质变形诱导（HDI）硬化[47]。其他策略也在出现。例如，在TiZrNbHf合金中引入氧诱导的有序复合体已被证明可以通过调节位错移动性和促进交叉滑移来同时提高屈服强度和延展性[49]、[50]。TiZrHfTa系统中的亚稳态工程可以导致转变诱导的延展性（TRIP），从而增强加工硬化能力并延迟塑性局部化[51]。同样，精心设计的沉淀硬化RCCAs利用相干纳米沉淀物实现显著的强化而不显著损失延展性[52]。这些快速进展强调了巩固现有知识以指导未来发展的必要性。本综述旨在综合当前关于RCCAs的研究，特别关注用于高温应用的多功能RCCAs的设计和制造。我们将探讨组成设计、微观结构工程和加工路线的基本原理。特别关注增强抗氧化性、提高延展性和确保长期热稳定性的策略，以及将异质结构概念整合到RCCA设计中的方法。通过协同利用组成复杂性和结构异质性，RCCAs有望实现高温强度、抗氧化性、延展性和微观结构稳定性的前所未有的组合，以满足最苛刻的未来应用需求。
