導讀：兼具高強度與高延展性的金屬材料在工程應用中極具吸引力，因為它們能夠在破壞前承受巨大的應力與應變。然而，強度與延展性往往相互制約，迫使研究者在二者之間尋求平衡。為突破這一長期存在的性能權衡，材料學家們通過多種策略進行探索：開發(fā)新型合金成分，引入強化機制同時保持延展性（如共格析出物或短程有序結構），或在單一合金中共存軟硬兩種晶體結構；此外，通過先進制造工藝構筑分級或梯度微結構，以在不同變形階段依次激活多種變形機制，也是實現(xiàn)“強–韌兼?zhèn)洹钡挠行窂�。共晶高熵合金（EHEA）正是這種成分設計理念的典型代表，其通過整合塑性好的面心立方（FCC）相與強度高的體心立方（BCC）相，展現(xiàn)出優(yōu)異的強度–延展性平衡。隨著增材制造技術，特別是激光粉床熔覆技術（L-PBF）的迅速發(fā)展，這類合金體系的性能提升迎來了新契機。

新加坡南洋理工周琨教授團隊利用L-PBF技術制備了一種多層級異質(zhì)結構的Al??Co??Fe??Ni??共晶高熵合金，具有1.3 GPa的屈服強度和20%的均勻延伸率，實現(xiàn)了高強度與高延展性的協(xié)同。該合金優(yōu)異的力學性能源于多種變形機制的協(xié)同作用及持續(xù)加工硬化能力，包括更高比例的延展性FCC相、均勻分布的共格納米析出物、納米層片結構、分級異質(zhì)微觀組織以及變形誘導的納米空洞。這一研究成果為通過“成分設計+先進制造”實現(xiàn)高性能結構合金提供了新思路。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-64871-4

該工作以“Unveiling the mechanisms of strength–ductility synergy in an additively manufactured nanolamellar high-entropy alloy”為題目，發(fā)表在頂刊《Nature Communications》上。新加坡南洋理工大學周琨教授為通訊作者，Shubo Gao為第一作者，合作者包括清華大學高華健教授、中南大學劉詠教授、新加坡科技研究局Sharon Nai研究員、以及Weiming Ji、Qi Zhu、Xueyu Bai、Asker Jarl?v和Xiaojun Shen。

圖1.“合金設計+先進制造”：共晶高熵的分級異質(zhì)微觀組織。

通過提高合金價電子濃度（VEC=8.07）使FCC相比例增加，利用L-PBF的超高冷速實現(xiàn)納米級FCC/B2片層結構，從根本上平衡了強度與塑性來源；為L-PBF實現(xiàn)“超強+高韌”的EHEA提供了設計準則。L-PBF的工藝靈活性還可以實現(xiàn)相分布的局部控制，形成介觀尺度的BCC富集區(qū)與貧化區(qū)。

圖2.優(yōu)異的拉伸屈服強度和均勻延長率。

與傳統(tǒng)制備工藝以及其他合金體系相比，該研究工作中L-PBF制備的EHEA展現(xiàn)了卓越的力學性能。體現(xiàn)了“合金設計+先進制造”的結合優(yōu)勢。

圖3. FCC和B2納米片層中形成共格納米析出物。

納米片層內(nèi)部形成了5 nm級的有序L1?與無序BCC的納米析出物，它們與基體同構但化學有序度不同，既能釘扎位錯提升強度，又不阻斷滑移通道保持延展性。這一“共格析出物強化機制”充分發(fā)揮了析出強化+片層約束效應的雙重作用，使材料在納米尺度上實現(xiàn)了“強而不脆”的平衡。

圖4. 分層異質(zhì)結構的應變硬化。

FCC/BCC片層、晶粒及相區(qū)的變形協(xié)調(diào)不一致，產(chǎn)生大量幾何必要位錯（GNDs）。這些GNDs在層片界面堆積，產(chǎn)生長程內(nèi)應力場，在塑性階段不斷激活新滑移系，使得形變強化可持續(xù)進行。

圖5. BCC片層中的納米空洞在拉伸后期緩解應力集中，有效推遲斷裂

合金變形后期在BCC片層中形成納米空洞（nanovoids）。原子模擬（MD）揭示其源自局域應力集中導致的BCC相部分非晶化。這些納米空洞能在塑性階段均勻吸收與釋放局部應力，相當于微型“緩沖器”，有效延遲裂紋萌生與擴展，使材料即便在高強度狀態(tài)下仍能維持持續(xù)塑性變形。

該研究通過將成分設計與增材制造深度融合，實現(xiàn)了共晶高熵合金的多尺度、多機制的協(xié)同強化，為高價值金屬構件的直接打印提供了可行路徑，也為未來異質(zhì)結構金屬體系的可控設計奠定了基礎。展望未來，這一策略可推廣至更廣泛的合金體系，包括雙相合金、梯度功能材料以及反應型結構合金等，從而構建出兼具極限強度、優(yōu)異塑性與環(huán)境穩(wěn)定性的下一代金屬材料。

團隊介紹

新加坡南洋理工大學周琨教授課題組依托于新加坡3D打印中心和惠普-南洋理工大學數(shù)字制造聯(lián)合實驗室，長期從事多種增材制造技術（3D打�。┭芯俊Ｄ壳熬劢褂诟咝阅苄陆饘俨牧霞肮δ芫酆衔飶秃喜牧涎邪l(fā)、先進結構設計和多尺度模擬仿真、增材制造零件宏微觀力學性能表征及其應用等。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。