κ′纳米沉淀相强化铸造共晶高熵合金实现近1 GPa超高屈服强度

针对铸造共晶高熵合金(EHEA)屈服强度不足的难题，中国科学院金属研究所团队创新性地通过引入E21结构κ′纳米沉淀相，在(Al19Co20Fe20Ni41)100-xCx合金中实现近50%强度提升（达1 GPa），同时保持7%断裂延伸率，为高性能铸造合金开发提供新范式。

　　

在材料科学领域，高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)因其突破传统合金设计理念而备受瞩目。其中，共晶高熵合金(Eutectic high-entropy alloys, EHEAs)凭借独特的双相结构和优异的铸造性能，成为结构材料研究的热点。然而，铸造态EHEAs普遍存在屈服强度偏低的瓶颈问题——以典型Al₁₉Co₂₀Fe₂₀Ni₄₁合金为例，其屈服强度仅约600 MPa，严重制约工业应用。传统通过热机械加工引入γ′相(L1₂结构)的强化方法虽有效，但工艺复杂且成本高昂。如何通过简易铸造工艺实现强度-塑性的协同提升，成为亟待解决的科学难题。

中国科学院金属研究所团队独辟蹊径，选择κ′相(E2₁有序结构)作为新型强化相，通过碳元素微合金化设计，在(Al₁₉Co₂₀Fe₂₀Ni₄₁)_100-xC_x（x=0.5-2）合金中成功实现κ′纳米相的原位析出。该研究创新性地证明：κ′相与FCC基体具有适中的晶格错配度，既能保证高密度纳米析出，又可产生显著有序强化效应。相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》，为高性能铸造合金开发提供了全新思路。

关键技术方法
研究采用真空电弧熔炼制备系列Cx合金，通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征微观结构，结合纳米压痕和拉伸测试评估力学性能。重点利用高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)解析κ′相原子排列，并通过电子背散射衍射(EBSD)分析变形机制。

研究结果

1. Microstructure
   XRD与TEM证实：添加0.5-2 at.%碳后，合金仍保持FCC/BCC共晶结构，但FCC相内出现5-20 nm的κ′相。HAADF-STEM显示κ′相具有E2₁有序超结构（空间群Fm-3m），与基体共格关系良好。随碳含量增加，κ′相体积分数从4.8%（C0.5）升至11.3%（C2），但过高的碳（C2）会导致晶界碳化物偏聚。

2. Discussion
   强度提升机制分析表明：κ′相通过有序强化（贡献~300 MPa）和Orowan绕过机制（贡献~150 MPa）共同作用。C1合金（1 at.% C）展现最优综合性能——屈服强度达985 MPa（较基体提升48%），延伸率保持7%。分子动力学模拟揭示：κ′相的高反相畴界能(APB)有效阻碍位错运动，而其适中的晶格错配度（δ=1.2%）避免了过早粗化。

结论与意义
该研究首次在铸造EHEAs中实现κ′纳米相强化，突破性地证明：通过精确调控碳含量（1 at.%），可在保持共晶组织优势的同时，使屈服强度逼近1 GPa大关。相较于传统γ′相强化工艺，κ′相强化具有三大优势：（1）铸造即可获得纳米析出；（2）强度-塑性平衡更优；（3）工艺成本降低60%以上。这项工作不仅为开发高性能铸造结构材料开辟新途径，更丰富了多尺度协同强化的理论体系，对航空航天、核电等极端环境用材具有重要指导价值。