CrMnFeCoNi高熵合金深冷处理诱导相变强韧化机制及其低温性能突破

本研究针对高熵合金(HEAs)在极端环境下强韧性难以协同提升的难题，通过液氮深冷处理(DCT)技术对激光熔融沉积(LMD)制备的(CrMnFeCoNi)45 Fe55 和(CrMnFeCoNi)40 Fe60 合金进行改性。研究发现DCT通过降低层错能(SFE)诱发FCC→BCC相变，实现断裂强度最高提升109%(1150 MPa)的同时保持45%延伸率，原位冷冻电镜(cryo-TEM)证实了TRIP效应主导的强韧化机制，为航空航天和深海装备用超强韧材料设计提供新范式。

　　

在材料科学领域，如何突破传统合金"强度-塑性倒置"的魔咒一直是研究者追逐的圣杯。高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)自2004年问世以来，以其多主元设计的独特理念展现出惊人的性能潜力，其中CrMnFeCoNi体系更因罕见的"低温增韧"特性引发研究热潮。然而，当铁含量超过50 at.%时，这类合金在极端环境下的力学性能调控仍面临重大挑战——常规工艺难以同时激活相变诱导塑性(Transformation-induced plasticity, TRIP)效应和位错强化机制，导致材料在深冷条件下易发生脆性断裂。

四川省科技厅资助的研究团队创新性地将液氮深冷处理(Deep cryogenic treatment, DCT)引入高熵合金改性领域。他们采用激光熔融沉积(Laser melting deposition, LMD)技术制备出(CrMnFeCoNi)₄₅
Fe₅₅
和(CrMnFeCoNi)₄₀
Fe₆₀
两种成分合金，通过系统的显微结构表征和力学性能测试，发现30分钟液氮处理即可使合金断裂强度提升104%-109%，其中(CrMnFeCoNi)₄₀
Fe₆₀
的强度从550 MPa飙升至1150 MPa，同时保持45%的塑性。这项突破性成果发表在《Materials Science and Engineering: A》上，为开发新一代极端环境用结构材料提供了理论依据和技术路径。

研究团队运用三大关键技术：激光熔融沉积(LMD)制备合金样品、液氮深冷处理系统(-196°C)实施相变调控、以及原位冷冻透射电镜(cryo-TEM)实时捕捉相变过程。通过热等离子体球化法制备的CrMnFeCoNi粉末(130 μm)与铁粉(65 μm)作为原料，确保材料初始状态的均一性。

【Material preparation】
激光粒度分析显示原料粉末氧含量控制在282-295 ppm，SEM证实粉末呈球形且表面光滑。LMD工艺参数优化保障了沉积层致密度，为后续深冷处理奠定基础。

【Phase structure and metallographic analysis】
XRD揭示深冷处理后(CrMnFeCoNi)₄₅
Fe₅₅
出现BCC相衍射峰，随着处理时间延长，BCC相含量从7.3%增至32.1%。EBSD分析显示深冷30分钟后晶界取向差分布向高角度偏移，表明相变过程中位错重组显著。

【Discussion】
原位cryo-TEM捕捉到FCC→BCC相变的动态过程：SAED衍射斑在77K下随时间演变，强度分布证实BCC相(110)面衍射强度增长3.8倍。研究者提出"SFE降低-层错形核-相变触发"的三步机制：液氮处理使SFE从78 mJ/m²
降至35 mJ/m²
，促进堆垛层错形成；这些缺陷作为相变形核点，诱发FCC→BCC马氏体转变；最终TRIP效应与位错强化协同作用，实现强韧化。

【Conclusions】
该研究取得三项重要发现：(1) 深冷处理诱发板条状BCC相析出，且随处理时间延长呈现梯度分布特征；(2) (CrMnFeCoNi)₄₀
Fe₆₀
因更低价电子浓度(VEC=6.87)展现更强相变倾向；(3) 双相共存机制使合金在-196°C下仍保持45%延伸率，突破传统金属材料低温脆性瓶颈。

这项工作的科学价值在于：首次系统阐明深冷处理对高熵合金相变行为的调控规律，建立"SFE-VEC-TRIP"定量关系模型。工程意义体现在：开发出适用于LNG储罐、深潜器压力舱等极端环境的超强韧材料，其1150 MPa级强度配合45%延伸率的综合性能，较传统奥氏体不锈钢提升达300%。Yulin Qin等研究者开创的深冷处理策略，为 metastable engineering 在先进合金设计中的应用开辟了新维度。