郑州大学先进亚稳金属材料课题组:低成本L12析出强化中熵合金,实现宽温域内强塑性匹配

DOI：https://doi.org/10.1007/s11431-025-3115-3

【研究背景】

为应对太空探索、航空发动机及核反应堆等极端工业环境对结构材料的严苛要求，急需开发在宽温域内兼具高强度、高塑性及低成本的新型合金。传统合金与现有高/中熵合金的性能往往受限于狭窄的温度区间，或因依赖高成本合金元素（如Co、Nb等）而难以实现大规模应用。针对这一挑战，本研究设计了一种低成本、无钴的L1₂相强化铁基中熵合金(Fe_58.98Ni_31.7Al₆Ti₃Zr_0.1C_0.2B_0.02)₉₂Cr₈。该合金在-196℃至700℃范围内展现出卓越的强塑性匹配，性能优于多种传统合金及中高熵合金体系，为宽温域高性能金属材料的开发提供了新途径。

【成果速览】

本研究设计了一系列新型L1₂相强化(Fe_58.98Ni_31.7Al₆Ti₃Zr_0.1C_0.2B_0.02)_100-xCr_x(x=0, 4, 8, 13 at%)铁基中熵合金。当铬含量为8%时，该合金在-196℃至700℃温度区间展现出最优机械性能，其综合表现优于多种中熵合金及奥氏体不锈钢。室温（25℃）下其屈服强度约为843MPa，延伸率达23%。当温度从25℃降至-196℃时，其强度与塑性同步提升。优异的室温力学性能源于L1₂纳米析出相、位错、滑移带和堆垛层错的协同作用。而在-196℃变形试样中，除上述机制外还观察到LC锁的存在。此外，该中熵合金在700℃高温下仍保持约766MPa的高屈服强度和26%的延伸率，这归因于可剪切L1₂析出相与位错滑移机制。本研究为开发宽温域高性能合金提供了新途径。

【数据概况】

图2. Cr8中熵合金的典型初始微观结构。(a1-a2) 显示晶界凸出的TEM图像；(b1-b5) 相应的EDS面分布图，展示了多相结构：晶界区域的富Al相和富Ti相，以及晶粒内部的纳米析出相。

图3. (a) Cr8中熵合金FCC晶粒内部L1₂纳米析出相的形貌与分布，插图为SAED衍射花样。(a1-a5) EDS面扫描显示L1₂相及FCC基体中的元素分布。(b) HRTEM图像，(b1) 图(b)中黄色矩形区域的放大图，(b2) 图(b1)的逆傅里叶变换图像，(b3) 和 (b4) 分别为图(b)中红色和蓝色矩形区域的FFT衍射图，展示了FCC基体与L1₂相之间的共格界面。

图4. (a-c) 中熵合金在-196℃、25℃及700℃下的拉伸工程应力-应变曲线；(d) Cr8合金的应变硬化率-真应变曲线；(e) Cr8合金在25℃时不同宏观应变下(2%(1)、7%(2)、21%(3)、27%(4)、30%(5))的微观应变演化；(f-g) Cr8合金的屈服强度(YS)与抗拉强度(UTS)随温度变化与其他材料的对比（数据来源参见表S3）。

图5. Cr8中熵合金在(a1-a5)25℃、(b1-b6)-196℃及(c1-c3)700℃下变形至约10%工程应变后的微观结构。(a1) 三角形晶界区域形貌；(a2)、(b1) 相交滑移带与泰勒晶格的形成；(a3)、(b2) 滑移带内高密度缠结位错及位错对；(a4-a5)、(b3-b4) 大量堆垛层错(SFs)及层错网络；(b5) 被位错剪切后的L1₂析出相；(b6) 被层错剪切的L1₂析出相的HRTEM图像，显示相交层错与L-C锁；(c1) 高密度位错与层错；(c2) 少量L1₂析出相被位错剪切；(c3) "三叉"位错组态。

【结论展望】

本研究研发了新型高性能(Fe_58.98Ni_31.7Al₆Ti₃Zr_0.1C_0.2B_0.02)₉₂Cr₈中熵合金。该合金晶内连续析出获得L1₂纳米析出相，并因不连续L1₂析出诱发晶界弓出。此合金在-196℃至700℃宽温域内展现出优异的力学性能：25℃时屈服强度约843MPa，抗拉强度1170MPa，均匀延伸率达23%；在-196℃下强度与塑性同步提升，屈服强度达970MPa，抗拉强度1530MPa，延伸率增至46%。这些卓越性能源于L1₂纳米析出相、位错、滑移带、堆垛层错、层错网络及L-C锁的协同强化作用。该合金在700℃高温下仍保持766MPa屈服强度与25%的延伸率，这归因于可剪切L1₂析出相与高密度位错、层错的共同作用。本研究为设计在宽温度区间具有优异力学性能的新型低成本合金提供了新思路。