"自组织临界态"打破传统认知：增材制造中熵合金实现位错强化与延展性协同提升

本研究突破传统位错强化理论认知，通过激光粉末床熔融(LPBF)技术在Ni35Co35Cr25Ti3Al2中熵合金(MEA)中构建了 segregation-dislocation self-organized structures (SD-SOS)。这种非平衡态自组织结构既能作为位错源发射位错和堆垛层错(SFs)，又能通过动态形成Lomer-Cottrell (L-C)锁和割阶实现位错存储，使初始位错密度达8.29×1014 m-2的加工硬化合金仍保持35%延伸率，为增材制造金属的强韧化设计提供了新范式。

　　

传统金属材料领域长期存在一个"强度-塑性倒置"的魔咒：通过位错强化提升强度的同时必然牺牲材料的延展性。这一现象源于经典教科书理论认为，高密度位错会形成低能位错结构(Low-energy dislocation structures, LEDS)，虽然能提高屈服强度，但会耗尽位错的运动能力和增殖潜力。就像被过度修剪的树木难以再发新枝，传统加工硬化的金属往往表现出令人遗憾的脆性断裂倾向。

西北工业大学凝固技术国家重点实验室的研究团队独辟蹊径，从自然界非平衡复杂系统（如地震、森林火灾等）的自组织临界态(Self-organized criticality, SOC)现象获得灵感，利用激光粉末床熔融(Laser powder bed fusion, LPBF)这种极端非平衡加工技术，在Ni₃₅Co₃₅Cr₂₅Ti₃Al₂中熵合金中成功构建了 segregation-dislocation self-organized structures (SD-SOS)。这种独特的微观结构打破了传统位错强化理论的桎梏，使材料在保持655 MPa高屈服强度的同时仍具有35%的延伸率，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究团队主要采用以下关键技术：通过LPBF制备具有初始位错密度8.29×10¹⁴ m^-2的样品；结合同步辐射X射线衍射(SXRD)和卷积多重全谱拟合(CMWP)方法定量分析位错密度演变；运用弱束暗场(WBDF)和高分辨透射电镜(HRTEM)表征L-C锁等缺陷结构；基于电子通道衬度成像(ECCI)统计滑移带间距演化规律。

Segregation-dislocation self-organized structures and their effect on mechanical properties

研究发现LPBF制备的合金中，Ti偏聚的蜂窝状/柱状凝固界面与高密度位错网络交织形成SD-SOS。这种结构不同于传统LEDS，相邻单元间取向差<1°，且边界富含堆垛层错(SFs)和L-C锁。通过SOC框架分析证实其具有自组织临界态特征。

Deformation micro-mechanisms

ECCI观察发现SD-SOS促使滑移带间距从初始164 nm持续细化至67 nm（应变24%时），显著高于铸态合金。原位SXRD显示其位错存储速率是铸态的2倍以上（44.7 vs 19.6×10¹⁴ m^-2），遵循Kocks-Mecking存储-回复模型。

Dislocation multiplication and storage mediated by SD-SOS

TEM分析揭示SD-SOS边界具有三重功能：(1)作为位错源发射a/2<110>全位错和a/6<112>肖克利不全位错；(2)通过位错反应动态生成L-C锁；(3)形成割阶阻碍位错运动。这种"发射-存储"动态平衡实现了可持续的应变硬化能力。

该研究首次证实通过调控位错构型（而非传统位错密度）可突破强度-塑性权衡，为增材制造金属的微观结构设计提供了新思路。SD-SOS的普适性特征可拓展至其他合金体系，通过调整LPBF工艺参数、溶质偏聚和层错能等实现性能组合的精准调控。这一发现不仅革新了位错强化理论认知，更为航空航天等领域高性能构件的制备开辟了新途径。