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» 高熵超合金是一種新型合金材料，具高強度、高韌性、低密度、低成本等優點，有潛力取代傳統超合金，應用於航太和能源產業。
» 高熵超合金獨特的階層結構包含面心立方基底相、L12 析出相和奈米級高熵面心立方顆粒，因此具有優秀的高溫強度。
» 相較於商用超合金 CMSX-4，高熵超合金 750℃時的強度高出 11％、性價比高八倍、延展性高三倍，且有更良好的抗氧化和耐腐蝕性。

超合金（superalloys）指的是耐熱度超過一般不銹鋼，且常態工作溫度為此材料熔點60％以上的合金。它的種類根據主要成分可分為鐵基、鈷基、鎳基三大類，還能依照不同性質的要求，添加不同重要元素。例如鉻（Cr）、鈦（Ti）、鋁（Al）、鎢（W）、鈷（Co）、鉬（Mo）、鉭（Ta）、鈮（Nb），以及少量的鉿（Hf）、硼（B）、釩（V）、鋯（Zr）、釔（Y）等。

超合金的強度來自於它在高溫下仍能保持穩定性的面心立方結構（face centered cubic, FCC），以及大量的二次析出強化相〔註1〕，其中二次相的種類有碳化物與L1₂ 結構或DO₂₂ 結構析出物。在三大類超合金中，鎳基超合金具有優異的高溫強度特性，因此脫穎而出，使用的領域也最為廣泛。先進的鎳基超合金主要含有大量體積比（＞ 60 vol. ％）的L1₂ 結構析出強化相，為一種介金屬化合物（intermetallic compound, IMC）〔註2〕。由於該序化結構所形成的共價鍵結，使得它的熔點和強度上升，且在材料中的降伏強度（yield strength）註3〕也會隨著溫度上升而增加，並且於750℃左右達到極高值。由熱力學卡諾引擎（Carnot Engine）推理可得知它的熱機效率決定於溫差，渦輪引擎的燃燒溫度愈高，它的引擎效率就愈高。而引擎內超合金材料的耐熱程度，正是決定引擎的燃油效率及推進力的關鍵。

［註 1］二次析出強化相是指在合金中透過熱處理增加降伏強度的方法，包括許多結構用合金，能增強材料的機械性能。

［註 2］介金屬化合物是指在合金材料中具有固定比例的化合物，它的物理及機械性質與組成元素完全不同，一般具有高硬度、脆性，有些化合物也可能具有磁性。

［註 3］降伏強度是指材料開始發生永久塑性變形時的應力強度，也就是材料從彈性變形轉變為塑性變形的臨界點。

高熵超合金的研發

從1940 年至今，超合金的製造都靠著添加昂貴的元素，像是錸（Re）和釕（Ru）以提高材料的耐熱度，但以此方式設計出的合金材料的成本和密度都會大幅提升。所以當今開發超合金的方向，就是如何同時提升合金系統的性價比和降低材料的密度，這些調整對於航太和能源產業的發展至關重要。但受限於傳統鎳基合金的思維及成分空間，材料設計者無法有效提升合金的性能價格比。像是CMSX-8超合金，為了壓低價格，其中的錸含量比CMSX-4減少了一半，卻仍需提高鉭、鎢的比例才能維持材料強度，導致材料的性價比還是無法顯著提。

而原創於臺灣的「高熵合金」（high-entropy alloys）材料系統具有廣大的合金設計空間，製造出的合金表現有機會超越傳統合金，因此已成為冶金界的顯學之一。為了突破前述航太及能源產業發展高性價比超合金的困境，清華大學材料科學工程學系的研究團隊利用高熵合金的設計理念，成功發展「高熵超合金」（high entropy superalloys, HESAs）。相較於市面上的超合金，高熵超合金的表現更強、更堅韌、更輕、更便宜，具有取代市售超合金材料的潛力。

不過在認識高熵超合金之前，必須先介紹高熵合金，例如CoCrFeMnNi。因為晶格扭曲和低疊差能（stacking fault energy），容易誘發材料組織生成奈米雙晶（nanotwin），使材料在室溫到極低溫的環境中都具有高強度和高韌性。然而，傳統的固溶強化、加工硬化、晶粒細化等強化機制在高溫運作環境的效果有限，必須依賴高溫穩定的介金屬化合物。……【更多內容請閱讀科學月刊第658期】