氮掺杂诱导AlN形成增强Al0.5 CoCrFeMnNi高熵合金多态相稳定性与焊接性能的跨尺度机制研究

为解决高熵合金(HEAs)中强度-塑性倒置及焊接性能不足的问题，研究人员通过氮(N)合金化调控Al0.5 CoCrFeMnNi的相演变路径，发现氮诱导AlN析出可抑制脆性B2 相形成，稳定FCC单相基体，并在冷轧退火态降低Zener钉扎效应，焊接态中细化熔合区晶粒。该策略使焊缝延展性提升154.9%，为多工艺HEAs设计提供新思路。

　　

高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）自2004年提出以来，因其独特的成分设计和优异的力学性能成为材料科学的研究热点。然而，传统HEAs面临强度与塑性的“鱼与熊掌”难题：单相面心立方（FCC）结构合金延展性良好但强度不足，而体心立方（BCC）结构合金强度高却脆性显著。更棘手的是，在焊接等热加工过程中，晶粒粗化、脆性相析出等问题进一步制约了其工程应用。以Al_0.5
CoCrFeMnNi为代表的FCC/B₂
双相HEAs虽能平衡性能，但B₂
相的脆性倾向仍限制其发展。

针对这一瓶颈，中国的研究团队独辟蹊径，提出通过氮掺杂调控合金的跨工艺性能。研究发现，氮的加入如同“微观建筑师”，通过形成AlN沉淀消耗铝元素，阻断脆性Ni-Al富集B₂
相的生成路径，使FCC基体在铸造、均质化、冷轧退火及焊接等不同工艺状态下保持稳定。在焊接过程中，氮还化身“晶粒雕刻师”，促进熔合区等轴晶形成，缓解热影响区（HAZ）的孪晶界消失现象，最终实现焊缝延展性154.9%的惊人提升。这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究，为HEAs的“性能可编程化”提供了新范式。

研究采用电弧熔炼制备Al_0.5
CoCrFeMnNi及氮掺杂合金，通过X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）等技术分析相组成与晶界特征，结合力学性能测试和断口形貌观察，系统评估了三种工艺状态（铸态均质化、冷轧退火态、焊接态）下的性能变化。

相组成与析出演变
XRD分析显示，未掺氮合金呈现FCC为主、BCC为辅的双相结构，均质化后B₂
相衍射峰增强。掺氮后AlN析出显著抑制B₂
相，使FCC单相稳定性提升。透射电镜（TEM）证实AlN纳米颗粒优先在晶界形核，消耗的Al元素减少B₂
相形成驱动力。

冷轧退火态微观机制
氮通过降低Zener钉扎力与孪晶界密度，促进退火过程中的晶粒长大。EBSD显示掺氮样品平均晶粒尺寸增加47%，位错密度提高带来更持续的加工硬化效应。

焊接性能突破
在GTAW焊接中，氮改变凝固行为，使熔合区等轴晶比例从12%增至68%，晶粒尺寸减小53%。HAZ区域因氮稳定孪晶界，硬度波动降低19%。力学测试表明，掺氮焊缝延伸率达28.5%，远超未掺氮样品的11.2%，且强度保持相当。

这项研究揭示了氮在HEAs多工艺链中的“智能调控”作用：在相稳定性方面，AlN与B₂
相的“此消彼长”关系实现了脆性相精准抑制；在变形机制上，氮通过调节位错-孪晶竞争关系优化应变分配；在焊接领域，其细化晶粒与稳定亚结构的能力破解了HEAs连接技术瓶颈。该成果不仅为航空航天、能源装备等领域的高性能HEAs构件设计提供理论支撑，更开创了通过单一元素实现材料跨工艺性能定制的新策略。