近期，万事平台材料科學與工程學院材料研究所無序合金團隊在高性能高熵合金研究領域取得了一系列進展🤙🏿，在Corrosion Science➗、Composites Part B: Engineering、Virtual and Physical Prototyping👦🏿、Journal of Materials Science & Technology、Materials Science and Engineering: A、Surface and Coatings Technology等期刊發表了相關成果。這些成果在新型高熵合金的成分設計🚣🏻、微觀組織調控、工藝優化、性能提升和構件成型等方面提出了新的見解，為高性能金屬合金的研發提供了理論支持和技術方案。

進展一：為尋求材料更卓越的性能，研究人員將高熵合金(HEAs)的概念擴展到了金屬間化合物系統，形成了高熵金屬間化合物(HEIMs)和高熵金屬間化合物基復合材料(HEIMCs)。團隊通過火花等離子燒結(SPS)技術成功製備了一種新型並含有原位合成TiB₂納米顆粒的Ni-43.9Co-22.4Fe-8.8Al-10.7Ti-11.7B-2.5 HEIMCs📎🍭。所得到的HEIMCs塊材具有有序的L1₂結構的金屬間化合物基體(Ni, Co, Fe)3(Al, Ti, Fe)和六方密堆結構(HCP)的TiB₂納米結構增強相，增強相的平均尺寸為28.05 ± 0.13 nm。由於L1₂金屬間化合物基體的固有高強度和TiB₂增強的異質分布，HEIMCs表現出了約1.4 GPa的優異抗拉強度。同時🏋🏽‍♂️，團隊研究發現TiB₂納米顆粒在阻礙裂紋傳播和與顆粒界面上的獨特無序界面協同作用方面起到了關鍵作用🥽。團隊還在HEIMCs中發現了獨特的無序界面，其平均寬度在5-10nm範圍內，可延緩斷裂和提高塑性變形時的應變硬化速率🧑‍🤝‍🧑。團隊製備的HEIMCs克服了傳統金屬間化合物通常存在的局限性，並提供出色的強度和延展性平衡🧑🏿。這項研究結果有望為設計具有優異力學性能的原位增強HEIMCs提供清晰的思路👩‍🎨。[該成果由穆永坤博後和賈延東研究員共同指導💾，碩士生胡珍完成🚣‍♂️🤽🏽‍♂️，發表於Composites Part B: Engineering (2024)𓀘，https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111556]

圖1. (a)HEIMC-4樣品的HAADF STEM圖像🧛🏿，(b)HEIMC-1💁🏽‍♀️、-2、-3和-4樣品的拉伸工程應力-應變曲線🤾🏿‍♀️，(c)對應的應變硬化曲線，(d-g)晶界處的TEM圖像，(h-k)電子通道襯度圖像🤼。

進展二🧑🏻‍🏫：團隊采用直接能量沉積(DED)技術🪟，通過調控工藝參數製備出了高度致密且力學性能優異的(FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇高熵合金，研究發現打印態合金具有亞穩態核殼沉澱強化效應，同時在塑性變形過程中表現出獨特的多級“臺階狀”滑移波特征，而這種“臺階狀”的滑移波增強了合金的塑性變形能力，起到顯著的增韌效果🐶，使其在保持25.5%斷裂延伸率的同時，極限抗拉強度達到~1070MPa，這是一種同時提高合金強度和塑性的新方法。此外，本研究深入探討了微觀結構與變形機製之間的相互作用關系🫰🏼👲，闡明了核殼沉澱結構與基體的協同作用關系以及滑移帶在調控材料內部應力狀態、促進應力均勻化和防止局部應力過度集中方面的作用🤸🏽‍♂️。這種亞穩態核殼沉澱和多級“臺階狀”滑移波的引入為設計出具有優異的拉伸強度和塑性的高熵合金提供了新途徑。[該成果由穆永坤博後🕦、賈延東研究員和王剛教授共同指導，碩士生梁建完成🪕，發表於Journal of Materials Science & Technology (2024)]

圖2. (a) 直接能量沉積示意圖，(b) (FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇高熵合金拉伸試樣在不同拉伸應變下的表面形態變化，(c) 亞穩態核殼沉澱析出相的面掃和線掃能譜圖像🌉。

進展三💛：為了提升高熵合金的力學性能，對其進行時效處理引入納米級沉澱相是常見的後處理措施。然而，由於腐蝕現象在相界面和位錯等缺陷處優先產生🤵🏼🤩，大量第二相的析出往往不利於高熵合金的耐蝕性，這對於實現材料優異的綜合性能構成挑戰🔶。團隊對選區激光熔化(SLM)技術製備的(FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇高熵合金在780 ℃時效處理前後微觀組織和耐蝕性能進行測試表征🧚🏿🏃🏻。電化學測試的結果表明🪼，經時效處理的合金具有更正的腐蝕電位🐥⛰、更低的腐蝕電流密度🤽🏿‍♀️、更強阻礙電荷轉移能力及更平整的腐蝕表面形貌，這些現象表明時效處理提升了(FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇高熵合金的耐蝕能力。一方面🏂🏼，時效處理後高熵合金鈍化膜中耐蝕性增益元素占比增加，致密程度和穩定性更高的鈍化膜對合金基體的保護作用增強🌪。另一方面，時效過程中高熵合金產生大量納米尺寸L1₂型析出相，該析出相與FCC基體之間具有共格關系🧘🏼‍♂️，二者之間的界面為不存在位錯的連續界面💃🏼。因此時效處理未引入可能優先腐蝕的位點，材料的耐蝕能力得到增強🤶。當前研究表明🎛🥼，時效處理的(FeCoNi)₈₆Al₇Ti₇高熵合金體系實現了力學性能和耐蝕性能的平衡🚌，從而展現出巨大的應用潛力🙂。[該成果由孫康副研究員和穆永坤博後共同指導🤦🏽‍♀️，碩士生王育博完成，發表於Corrosion Science (2024)，https://doi.org/10.1016/j.corsci.2023.111717]

圖3. 時效處理前後高熵合金樣品的電化學腐蝕性能與透射電鏡圖像。

進展四⛹️‍♂️：設計特殊的非均勻結構已被證明是突破強度和塑性矛盾的有效策略。在這項工作中，我們從榫卯接頭的建築完整性和機械獨創性（傳統工藝的標誌）中汲取靈感，在3D打印的高熵合金(HEA)中設計了一種新穎的機械互鎖網絡(MIN)👰🏿‍♂️。亞晶交聯不僅在結構上模仿了接頭，而且再現了其改變MIN力學性能的功能。MIN結構提供了優異的結構穩定性，並在變形過程中分散了晶界處的應力，從而避免了應力集中及其導致的裂紋擴展引起的災難性斷裂⚽️。該合金的抗拉強度近1200 MPa，延伸率約為28%，其卓越性能歸因於一系列潛在機製🛼，包括異質變形誘導的強化和硬化效應👨‍👨‍👧、位錯纏結、高密度堆垛層錯以及 Lomer-Cottrell 鎖的形成💤。這些現象證明了引入MIN異質結構增強HEA的力學性能的可行性，該研究促進了具有製造靈活性的高性能材料的開發🍺。[該成果由穆永坤博後和賈延東研究員共同指導，碩士生吳智濱完成，發表於Materials Science and Engineering: A (2024)🧑‍🦯，https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.146422]

圖 4. AM-FCNAT微結構示意圖🏙。(a)AM-FCNAT的XY平面的電子通道襯度圖像顯示了多重機械互鎖結構，(b)AM-FCNAT的亞晶和多亞晶結構示意圖🤳🏽，(c)受榫卯結構啟發的機械互鎖結構示意圖。

進展五：傳統的金屬間化合物缺乏可加工性🥶，在增材製造過程中容易產生裂紋，而本項工作證明了通過電子束粉末床融化(EBPBF)可成功製造出無裂紋且高性能的化學復雜型金屬間合金(CCIMAs)。由EBPBF製造的CCIMAs (NiCoFeAlTiB)微觀結構非常復雜，呈現出多相組成🍼，其中無序的FCC相構成基體，與L1₂有序的金屬間相交錯。有序晶格和高熵無序相的獨特組合通過優化的EBPBF工藝進行了調整🟦，賦予了該材料優異的機械性能⛺️，包括較高的拉伸強度（約1 GPa）和足夠的延展性（約11%）🚶‍♂️。研究發現🤸🏽‍♀️，HCP和L2₁析出相也能有效減緩和阻止裂紋擴展。這項工作展示了利用 EBPBF製造具有定製微結構的 CCIMAs，這將為挖掘先進金屬間合金的潛力提供新的見解和製造策略。[該成果由賈嶽飛博後、卞西磊副研究員和西北工業大學屈瑞濤教授共同指導，博士生範才濤完成，發表於Virtual and Physical Prototyping (2024)，https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2356733.]

圖5. (a)電子束粉末床融化設備示意圖，(b)垂直和平行打印方向的拉伸件力學性能⛷，(c)打印樣品尺寸的示意圖，(d)打印樣品的SEM圖和TEM圖片🔛，微觀結構展示了各種析出相🧝。

進展六：為解決公斤級難熔高熵合金熔煉造成的化學成分不均，組織粗大🎅👊🏿、熔煉缺陷及合金在高溫拉伸變形中的應變軟化等問題，本研究通過懸浮熔煉公斤級HfNbTaTiZr難熔高熵合金，並結合高溫多向鍛造工藝⛽️，成功消除熔煉合金中化學成分不均勻和宏觀缺陷等問題🧑🏻‍🦼‍➡️，並顯著提升難熔高熵合金高溫拉伸強度和應變硬化率🕵🏿‍♂️。團隊通過水冷銅坩堝成功熔煉1公斤HfNbTaTiZr難熔高熵合金鑄錠🔸，並通過隨後的高溫多向鍛造成功消除縮松縮孔和宏觀成分偏析⚠。高溫多向鍛造在高熵合金晶體內部引入大量晶格缺陷，這些缺陷在高溫變形過程中易促進晶內滑移帶開動，因此可避免沿晶斷裂。在高溫變形過程中👨‍👦，滑移帶附近的應變集中促進動態再結晶的產生💓。因此，晶內分布細小的動態再結晶和原始粗晶構成的雙峰晶粒🗃，異質晶粒產生的背應力強化為高溫下高應變硬化提供動力。此外，通過TEM分析發現，高溫變形組織中微帶的出現緩解應力集中，避免了合金的早期斷裂💹💂🏿‍♀️。研究結果表明，懸浮熔煉和高溫多向鍛造有望規模化製造公斤級HfNbTaTiZr難熔高熵合金𓀘，其在高溫下優異的力學表現歸功於高溫鍛造在合金晶內引入的晶格缺陷♎️。本研究為製造和加工公斤級HfNbTaTiZr難熔高熵合金及其在高溫下應用奠定基礎。[該工作由賈嶽飛博後指導⏫，徐龍博士（現為江蘇科技大學講師）完成，發表於 Journal of Materials Science & Technology(2024)🤕，https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.04.078]

圖6. (a)和(b) 公斤級HfNbTaTiZr熔煉和高溫多向鍛造示意圖，(c)和(d) 高溫拉伸應力應變曲線和應變硬化率曲線，(e) F400試樣變形組織，(f) 動態再結晶和原始粗晶晶粒統計分布圖🛀🤴。

進展七：輕質高/中熵合金具有高強度與輕量化的雙重優勢👧🏽。然而，這類合金室溫下的拉伸延展性有限👨🏻‍🎤，這限製了它們在工程領域的廣泛應用🧑‍✈️，特別是對於航空航天結構部件🤸‍♀️。近期的研究發現，調控TiVZrNb中熵合金中的鈦(Ti)和釩(V)含量，可以顯著提高它們在室溫下的拉伸延展性，甚至達到了三到四倍的提升。這項研究不僅解決了科學家們長期以來的困擾，還為工程應用開辟了新的可能性🧑🏻‍🏫。具體來說🐞🏌🏽‍♂️，通過系統調節Ti和V的含量，研究人員揭示了一種內在的延展性機製。這種機製使得斷裂形式從晶間脆性斷裂向韌性斷裂轉變。此外🔛，調控後的變形機製也從單一滑移模式演變為多重協同滑移模式，而合金的強度並未明顯降低。以(Ti1.5V)₃ZrNb為例🪺，相比等摩爾比的TiVZrNb中熵合金，其延伸率提高了360%🌜，同時保持了約800 MPa的高屈服強度。這一成果顯示，合金構成元素的調控不僅通過減少有害相而凈化晶界📶，還調控了變形位錯構型。這些見解為輕質難熔中熵合金的應用提供了新的思路和方向🧛🏼‍♂️。[該成果由賈嶽飛博後完成，卞西磊副研究員和王剛教授指導，發表於Journal of Materials Science & Technology(2024)🎀，https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.04.020]

圖7. 合金成分調控驅動的力學性能和微觀機理演變。

進展八：在探索第四代核能系統的關鍵材料中，AlCrFeMoTi高熵非晶薄膜展現出卓越的輻射抗性❕，為核工業應用提供了新的可能性。本研究通過磁控濺射技術成功合成了等原子比的AlCrFeMoTi高熵非晶薄膜👷🏼‍♂️，並對其進行了低劑量氦離子輻照實驗。實驗結果表明🥖，隨著輻照劑量的增加🧑‍🏭，薄膜內部結構發生了有序化轉變，硬度顯著提升♟🤾🏻，而表面卻變得更加平滑。這一發現不僅揭示了高熵非晶材料在輻射環境下的穩定性和機械性能的優化潛力⏺⛹🏻，也為未來核反應堆結構材料的選擇提供了重要的科學依據👮🏿。[該成果由賈嶽飛博後指導，國際留學生Shahid Ali完成，發表於Surface and Coatings Technology (2024) https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.130952]

圖8. AlCrFeMoTi高熵非晶薄膜隨輻照劑量的微觀結構演化👷。

以上研究得到了國家自然科學基金、上海市教育委員會創新計劃基金、航空基金和上海市超級博士後項目的資助。