摘要
金属材料强度提升通常伴随塑性牺牲，这一矛盾长期制约先进材料的发展，新型冶金工艺与结构设计策略为突破该瓶颈提供了可能。本文提出在 CoCrNi 中熵合金中可控引入新型层级纳米析出相，实现强度提升且不损失塑性的设计思路。通过激光定向能量沉积工艺，利用预合金粉末交替原位引入 Al 和 Ti 元素，使成形合金形成阶梯式异质成分分布，再经适配的后处理热处理获得层级 L1₂纳米析出相。与成形态 CoCrNi 相比，含层级 L1₂纳米析出相的异质中熵合金抗拉强度达到 1186 MPa，提升约 2 倍，延伸率进一步提升至 42%。扩散过渡区以及变形过程中异质区域相互作用激发的多种变形与硬化机制，是实现优异强塑性匹配的核心原因。该研究为通过增材制造精准调控微观组织异质性、结合合适后处理制备高强高韧金属材料提供了可行的设计范式。
本文创新方法：采用激光定向能量沉积交替沉积 CoCrNi 与 (CoCrNi)₈₂Al₉Ti₉预合金粉末，利用熔池马兰戈尼对流与层间重熔效应，原位形成 Al、Ti 元素阶梯式梯度分布的异质中熵合金；结合 “再结晶退火 + 时效” 两步热处理，诱导形成尺寸、体积分数沿成分梯度渐变的层级 L1₂纳米析出相，同时获得含大量退火孪晶的等轴晶组织；通过原位数字图像相关、原位电子背散射衍射、透射电镜多尺度表征，结合有限元模拟，揭示扩散区几何必须位错累积、异质变形诱导强化、9R 结构协调变形的多机制强韧化机理。 解决的科学问题：传统析出强化型中熵合金普遍存在强度 - 塑性倒置权衡；增材制造异质合金易出现界面结合差、成分过渡陡峭的问题；单一尺寸析出相难以同时实现强化与持续加工硬化；层级析出相与异质结构耦合的变形机制，以及扩散区在塑性协调中的作用尚不明确。
图文导读
图 1 成形态异质中熵合金的典型微观组织。(a) 背散射电子图像；(b₁)-(b₃) 电子探针元素面分布；(c₁)(c₂) 漩涡组织与层界面的截面扫描电镜图像；(d₁)(d₂) 沿标记线的 Al、Ti 元素与 Co、Cr、Ni 元素浓度分布曲线；(e) 相邻层界面区域的成分分析。
图 2 不同热处理策略对应的典型微观组织。(a)-(c) 成形态试样的反极图、带衬度图与晶粒尺寸分布图；(d)-(f) 直接时效态试样的对应表征结果；(g)-(i) 再结晶退火 + 时效态试样的反极图、带衬度图（含孪晶界）与晶粒尺寸分布图。
图 3 不同状态试样的典型力学性能。(a)(b) 不同后处理状态试样的工程应力 - 应变曲线与对应加工硬化率；(c) 沿沉积方向的纳米硬度分布；(d) 本异质中熵合金与其他激光定向能量沉积制备高 / 中熵合金的拉伸性能对比。
图 4 再结晶退火 + 时效态异质中熵合金的梯度成分分布典型微观组织。(a) 背散射电子图像，插图为沿红色箭头的浓度分布曲线；(b)-(f) 电子探针元素面分布结果。
图 5 再结晶退火 + 时效态异质中熵合金的层级纳米析出相微观组织。(a) Al、Ti 富集区的透射电镜拼接图像；(b)(b₁) 位错线与 L1₂析出相的选区电子衍射花样；(c)(c₁) 晶界处 FCC+L1₂团簇的扫描透射能谱面分布与对应选区衍射；(c₂) 对应元素分配的能谱线扫描结果；(d)(d₁) 晶粒内部致密纳米 L1₂颗粒的扫描透射能谱面分布与明场像；(d₂) L1₂析出相粒径分布图；(e) 层级纳米析出相结构示意图；(f)(f₂) 扩散区的明场透射像与高分辨透射像及快速傅里叶变换花样；(f₁) 扩散区 L1₂析出相的暗场透射像与尺寸分布。
图 6 原位数字图像相关测试得到的不同拉伸应变下不同方向的应变分布。(a) 加载方向与 (b) 宽度方向的应变云图；(c) 沿标记虚线箭头的纵向与横向应变分布曲线；(d) 应变峰高斯拟合得到的平均应变强度与平均半高宽随拉伸应变的变化；(e) 标记点处 CoCrNi 层与 Al9Ti9 层的纵向、横向应变统计。
图 7 沿扫描方向单轴拉伸过程中的原位电子背散射衍射结果。(a₁-a₃) 随应变增大的微观组织演化与 (c) 对应的晶界取向差分布直方图；(b₁-b₃) 2%、10%、20% 拉伸应变下的几何必须位错密度图与 (d) 对应密度直方图；(e) 沿标记红色箭头的几何必须位错密度 - 距离曲线。
图 8 真应变约 5% 时再结晶退火 + 时效态异质中熵合金的典型变形微观组织。(a) Al、Ti 贫化区的平面滑移位错；(b) 高分辨透射像与几何相位分析叠加图，显示洛默 - 科特雷尔位错锁与位错的水平正应变；(c) 低角环形暗场像显示位错切过氧化物颗粒及对应元素面分布；(d) 退火孪晶界处的位错塞积；(e) 滑移带之间的波浪滑移位错；(f) 位错交互与缠结，插图为对应带轴选区衍射；(g) 滑移带密度与位错增加的形貌；(h) 高分辨透射像显示部分 9R 结构与完整 9R 结构共存，插图为基体对应带轴的快速傅里叶变换花样。
图 9 变形至断裂应变时再结晶退火 + 时效态异质中熵合金的典型微观组织。(a) Al、Ti 贫化区的密集位错塞积与滑移带；(b) 双束衍射下发达滑移带与密集层错的放大图；(b₁) 局部高分辨与几何相位分析叠加图，显示洛默 - 科特雷尔位错锁的应变；(c) 相交滑移带与发达亚晶界；(d) 滑移带处高位错密度塞积与层错网络；(d₁) 高分辨透射像显示大量洛默 - 科特雷尔位错锁；(e) 双束下密集位错明场像；(e₁) 放大高分辨像显示 B2 相间的纳米尺度层错网络；(f) 密集位错塞积与纳米变形孪晶；(g) 高体积分数 L1₂析出区的层错网络与 9R 结构；(h)(h₁) 9R 结构的高分辨透射像与对应带轴快速傅里叶变换花样。
图 10 (a) 层级纳米析出相异质结构演化过程示意图；(b) 600 ℃下 (CoCrNi)₁₀₀₋₂ₓAlₓTiₓ合金体系吉布斯自由能随 Al、Ti 摩尔分数的变化；(c) 再结晶退火 + 时效态异质合金相邻层的微区 X 射线衍射图谱。
图 11 (a) 成形态异质合金在 2%、5%、10%、15% 应变下模拟冯・米塞斯应力分布与沿箭头的统计结果；(b) 再结晶退火 + 时效态合金在 5%、10%、15%、20% 应变下的对应模拟结果；(e)(e₁) 5%、12% 拉伸应变下原位扫描电镜数字图像相关得到的沿扫描方向宏观应变分布；(f) 初始滑移带与二次滑移带的最大局部应变，以及应变比值随应变的变化，反映不同区域应变局域化程度；(g) 15% 应变下的内核平均取向差图，插图为界面区域代表性晶粒的晶粒取向扩展图。
图 12 (a) 再结晶退火 + 时效态异质中熵合金中依次激活的变形机制示意图；(b) 9R 结构的形成机制示意图，PB 代表相界。 图 13 变形诱导 9R 结构的原子尺度结构。(a) 缺陷与 9R 交互作用的高分辨图像；(b) 9R 周围的水平晶格应变云图；(c) 畸变与连续 9R 的原子结构及对应快速傅里叶变换图像。
结论
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利用增材制造过程中的马兰戈尼效应与界面重熔行为，实现了 CoCrNi 合金中 Al、Ti 元素异质分布的原位可控构筑，所得合金兼具 Al、Ti 元素阶梯分布与差异化晶粒形貌；经再结晶 + 时效热处理后，获得含大量退火孪晶的等轴晶组织，同时沿沉积方向形成层级 L1₂析出相。 -
成形态异质合金屈服强度是均质 CoCrNi 合金的 1.9 倍；直接时效热处理可获得 1217.3 MPa 的高抗拉强度与 16.2% 的延伸率；而再结晶 + 时效热处理打破强塑性权衡，抗拉强度达 1185.9 MPa，断裂延伸率约 42.0%。 -
层级纳米析出相结构在变形中有效阻碍晶内位错运动，同时激活位错滑移、层错、变形孪晶、9R 结构等多尺度变形机制，触发异质变形诱导硬化，实现强化与高加工硬化的协同；异质结构促进宏观组分层间的协同塑性变形，扩散区通过累积几何必须位错实现应力 - 应变分配。 -
位错剪切 L1₂颗粒并从相界发射不全位错，是高体积分数 L1₂区域中 9R 结构形成的主导机制；变形诱导的 9R 结构可缓解应力集中，协调塑性变形。
文献链接
Sun, Y., Cheng, Z., Xia, Y., Wang, N., Zhao, T., Ning, Z., Shen, H., Sun, J., & Huang, Y. (2026). Tailored hierarchical L1₂ nano-precipitates achieve superior strength-ductility synergy in additively manufactured CoCrNi-based medium entropy alloys. Additive Manufacturing, 122, 105191. https://doi.org/10.1016/j.addma.2026.105191
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