摘要
大多数高熵与中熵合金中的长程有序相晶体结构复杂、键合状态特殊，本征脆性较强，往往导致材料塑性劣化。本文提出一种层级有序化设计策略，可将单相面心立方结构的 Ni₂CoFeV L1₂金属间合金强度提升数倍。该三相中熵合金室温下具备超过 1.6 GPa 的超高抗拉强度与 30% 的优异延伸率，强塑性协同效果优于绝大多数已报道的高 / 中熵合金。κ 相中异常的位错多滑移与堆垛层错，以及耦合的 L1₂相与 fcc 相中的纳米堆垛层错网络、洛默 - 科特雷尔位错锁和高位错密度共同作用，提升了合金加工硬化能力，赋予其优异塑性。本工作为利用层级有序相设计超强高韧结构材料提供了极具前景的原型方案。
本文创新方法：采用 “冷轧预变形 + 750 ℃再结晶退火 + 650 ℃时效” 的两步热机械处理工艺，在富 Ni 的 Ni₂CoFeV 中熵合金中原位构建 “无序 fcc 基体 + L1₂有序纳米畴 + 板条状 κ 有序相” 的三级层级有序结构；结合原子探针层析、球差校正透射电镜、拉伸力学测试，系统揭示多相协同的多机制变形强韧化规律。
解决的科学问题：传统长程有序相（如 D0₂₂、κ、η 相）会严重劣化中熵合金塑性，甚至引发晶间脆性；单一 L1₂沉淀强化体系存在屈服强度偏低的短板；缺少通过多级有序结构协同调控，同时实现超高强度与优异拉伸塑性的中熵合金设计路径。
图文导读
图 1 热机械处理后 Ni₂CoFeV 中熵合金的微观结构表征与层级有序化示意图。(A) 均质态 (HT)、再结晶退火态 (RA)、再结晶退火 + 时效态 (RAA) 样品的 X 射线衍射图谱。(B) RA 合金的背散射电子图像；(C) RA 合金的电子背散射衍射反极图与相分布图。(D-F) RA 合金的明场透射电镜图像，显示面心立方晶粒内部存在大量超细板条状 κ 相（粉色箭头标注）；(F) 的放大细节显示 κ 相尖端发射不全位错。(G) 对应 (E) 中圆圈区域的选区电子衍射花样，显示 κ 相、面心立方相以及退火孪晶的晶体结构。(H) RAA 合金的明场透射电镜图像；(I) RAA 合金的选区电子衍射花样，证实面心立方基体发生无序 - 有序转变生成 L1₂相；(H) 的插图为从 {100} 超点阵斑点拍摄的 L1₂相暗场像。(J) 层级有序化过程的示意图。
图 2 κ 相、L1₂相与无序 fcc 相构成的三相结构原子尺度表征。(A,B) 高分辨透射电镜图像与快速傅里叶变换花样，分别展示 κ 相、L1₂相与 fcc 基体的原子与晶体结构；PB 为相界。(C) 以 20 at.% Fe 与 23 at.% V 等浓度面高亮显示的原子探针三维重构结果，呈现有序 κ 相的形貌；(D) 一维浓度分布曲线，展示从 κ 相到 L1₂相再到 fcc 相的精确元素分布。(E) 以 30 at.% Fe 与 18 at.% V 等浓度面重构的原子探针结果，展示 L1₂有序相与无序 fcc 基体的形貌；(F) 一维浓度分布曲线，展示 L1₂-fcc-L1₂之间的元素分布。
图 3 不同工艺制备 Ni₂CoFeV 中熵合金的力学性能。(A) 室温下均质态、冷轧态、再结晶退火态、再结晶退火 + 时效态样品的拉伸工程应力 - 应变曲线。(B) 加工硬化率随真应变的变化，RA 合金呈单调两阶段下降，RAA 合金呈现三阶段特征并出现短暂回升。(C,D) 本工作中熵合金与已报道 Co-Fe-Ni-V 系中熵合金的抗拉强度、屈服强度与延伸率对比，显示三相 RAA 合金最优的强塑性匹配。
图 4 断裂后 RA 与 RAA 中熵合金的变形微观结构。(A-C) RA 合金的明场透射电镜图像，显示 fcc 相与 κ 相中的典型位错结构；大量位错在 κ 相界塞积（黄色箭头），少量位错切过 κ 相（绿色箭头），造成 κ 相明显剪切变形（红色箭头）。(D-I) RAA 合金的明场透射电镜与高分辨透射电镜图像：(D,E) 耦合的 L1₂与 fcc 相中存在高密度纳米堆垛层错网络、位错与洛默 - 科特雷尔位错锁；(F-I) κ 相中存在异常的位错多滑移与堆垛层错。
结论
本文通过层级有序化的热机械处理策略，成功制备出兼具超高强度与优异塑性的 Ni₂CoFeV 中熵合金，主要结论如下：
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经两步退火处理后，合金形成由无序 fcc 基体、弥散 L1₂有序纳米畴与板条状 κ 有序相构成的三级层级有序结构；室温下合金抗拉强度达 1.63 GPa，断裂延伸率保持 30%，有效规避了纯有序结构的晶间脆性风险，强塑性协同性能优于绝大多数已报道的高 / 中熵合金。 -
合金的吉帕级屈服强度主要来源于细晶强化与 κ 相第二相强化，L1₂相对屈服强度提升贡献有限；V 元素引入引发的严重晶格畸变也带来显著的固溶强化效应。 -
优异的塑性与持续加工硬化源于多尺度变形机制的协同作用：fcc/L1₂相中多滑移系堆垛层错交互形成洛默 - 科特雷尔位错锁，提供持续加工硬化；κ 相内除主滑移面位错剪切外，还激活了次滑移面位错与基面堆垛层错，多滑移系协同缓解相界应力集中，协调塑性变形。 -
该层级有序化设计思路可推广至多主元合金体系，为开发兼具超高强度与良好塑性的先进结构材料提供了新的设计范式。
文献链接
Gu, L., Zhao, Y., Li, Y., Hou, R., Liang, F., Zhang, R., Wu, Y., Fan, Y., Liang, N., Zhou, B., Chen, Y., Sha, G., Chen, G., Wang, Y., & Chen, X. (2024). Ultrastrong and ductile medium-entropy alloys via hierarchical ordering. Science Advances, 10(22), eadn7553. https://doi.org/10.1126/sciadv.adn7553
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