基于相分离与元素分配的Cu-Fe-Co基难混溶中熵合金多功能性能调控研究

为解决传统合金强度-塑性难以协同提升的难题，研究人员通过真空感应熔炼技术设计制备了(Cu60(FeCo)40)95Ni5等新型难混溶中熵合金(IMMEAs)。研究发现Ni/Mn/Al元素在Cu/FeCo两相中呈现差异化分配，通过相分离形成FCC/BCC双相异质结构，结合固溶强化和异质变形诱导强化(HDI)使合金兼具高强度(如Mn10合金抗拉强度达1.2GPa)与良好塑性(Ni10合金延伸率15%)，同时实现磁性能与导电性调控，为多功能合金设计提供新范式。

　　

在材料科学领域，如何突破传统合金"强度-塑性此消彼长"的魔咒一直是研究者面临的重大挑战。高熵合金(HEAs)和中熵合金(MEAs)的出现为解决这一问题提供了新思路，其多主元特性带来的晶格畸变效应和固溶强化效果显著提升了材料性能。然而，常规MEAs的单一相结构仍难以实现性能的突破性进展。近年来，研究人员将目光转向具有本征相分离特性的难混溶体系，试图通过构建异质结构来激发协同强化效应。

中国某研究机构（根据CRediT声明中的作者姓名拼写规律推断为国内单位）的研究团队在《Applied Materials Today》发表的研究中，创新性地选择Cu-Fe-Co这一经典难混溶体系为基础，通过添加Ni/Mn/Al等元素设计出(Cu₆₀(FeCo)₄₀)₉₅Ni₅等四种新型难混溶中熵合金(IMMEAs)。该研究充分利用Cu-Fe-Co体系在相图中的混溶间隙，结合真空感应熔炼和后续轧制-热处理工艺，成功实现了材料多功能性能的精准调控。

研究采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)进行微观结构表征，通过电子背散射衍射(EBSD)分析变形机制，并采用万能试验机、显微硬度计和振动样品磁强计(VSM)系统评估力学性能和磁性能。

微观结构特征

研究发现所有合金均形成Cu-rich相和FeCo-rich相的双相结构，但元素分配行为迥异：Ni选择性富集于Cu相，Mn倾向进入FeCo相，而Al在两相中均匀分布。XRD结果显示Ni5、Mn10和Al5合金形成稳定的FCC(Cu相)+BCC(FeCo相)结构，而Ni10合金初始为双FCC相，经冷轧和时效后部分FeCo-rich FCC相转变为BCC相。

性能调控机制

力学性能测试表明Mn10合金表现最优异的强度（抗拉强度1.2GPa，硬度HV 280），这归因于Mn元素引起的强烈固溶强化效应；Ni10合金则展现出15%的优异延伸率，得益于其独特的FCC双相结构促进位错增殖。磁性能测试显示Mn10合金具有最高饱和磁化强度(140 emu/g)，而Ni10合金因相变效应获得最低矫顽力(5 Oe)。导电性测试发现Ni5合金电导率达60%IACS，与其低Ni含量减少电子散射相关。

结论与意义

该研究通过相分离和元素分配策略，在Cu-Fe-Co基IMMEAs中成功构建了多尺度异质结构，实现了固溶强化、HDI强化和纳米孪晶的协同作用。特别值得注意的是：(1)冷轧-时效处理可诱导Ni10合金发生FCC→BCC相变，为相变调控提供新思路；(2)Mn10合金展现出罕见的强度-磁性协同提升特性；(3)元素分配行为与相结构演变规律为后续合金设计建立理论模型。这项工作不仅拓展了IMMEAs的设计维度，更为开发兼具结构-功能一体化的新型合金材料指明了方向，在航空航天电磁器件、高强导电材料等领域具有重要应用前景。