超高反相畴界能多组分沉淀强化合金实现超强韧协同提升

针对传统共格沉淀强化合金因位错运动阻力不足和滑移面软化导致的强度-塑性倒置难题，研究人员通过设计高反相畴界能(APB)的多组分Ni3Al型(L12)沉淀相，在NiCo基面心立方(FCC)合金中实现了1616 MPa屈服强度与10.1%均匀延伸率的突破性组合，为发展高性能结构材料提供了新范式。

　　

在材料科学领域，如何突破金属材料强度与塑性的"鱼与熊掌不可兼得"困境，一直是研究者们孜孜以求的目标。传统沉淀强化合金虽然通过硬质颗粒阻碍位错运动来提高强度，但共格有序沉淀相固有的低反相畴界能(APB)特性，使得材料在变形过程中容易出现滑移面软化现象，导致塑性急剧下降。这种"强度越高、塑性越差"的矛盾严重制约了高性能结构材料的发展。

为破解这一难题，国内某研究机构的研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表创新成果。他们独辟蹊径地选择NiCo基面心立方(FCC)合金作为模型体系，通过在多组分Ni₃Al型(L1₂)沉淀相的Al亚晶格位点引入Nb、Ta、W、Ti等多种元素，成功将沉淀相的反相畴界能提升至308±14 mJ/m²的超高水平。这一突破性设计不仅大幅增强了沉淀强化效果，还巧妙地将变形机制从传统的位错剪切转变为堆垛层错剪切，从而有效避免了滑移面软化问题。

研究团队综合运用了多种先进表征技术：通过同步辐射高能X射线衍射(XRD)分析相组成和晶格参数；利用电子背散射衍射(EBSD)和电子通道衬度成像表征晶粒结构；采用像差校正扫描透射电子显微镜(STEM)观察沉淀相/基体界面原子结构；结合原子探针断层扫描(APT)确定元素分布；借助原位拉伸实验追踪变形过程中位错密度的演变；并基于密度泛函理论计算反相畴界能与反位缺陷的关系。

研究结果部分，"力学性能"数据显示：优化设计的(NiCo)_85.95(NbTaWTi)₇Al₇B_0.05合金(NTWT-AA)展现出1616±9 MPa的屈服强度、2155±22 MPa的抗拉强度和10.1±0.3%的均匀延伸率，性能指标远超传统合金。"微观结构"分析表明：该合金具有完全再结晶的FCC基体(平均晶粒尺寸1.7±0.2 μm)，其中弥散分布着平均尺寸36 nm的多组分L1₂沉淀相，体积分数达46.4%。"变形行为"研究发现：超高APB能促使完美位错在进入沉淀相时立即分解为部分位错，形成由超晶格堆垛层错和Lomer-Cottrell锁组成的复杂网络结构，这是实现优异应变硬化能力的关键。

在"多组分沉淀相与高APB能"部分，研究通过弱束暗场TEM测量和理论计算证实：多元素协同占据Al亚晶格可将反位缺陷频率从17%降至8%，使APB能从183±8 mJ/m²提升至308±14 mJ/m²。这种设计不仅大幅提高了临界位错形核应力(达1213 MPa)，还通过堆垛层错剪切机制避免了传统位错剪切导致的滑移面软化。

这项研究的意义在于：首次通过精确调控沉淀相原子尺度结构，实现了超强韧协同提升，打破了沉淀强化合金的性能瓶颈。所提出的"多组分沉淀相设计"策略为发展新一代高性能结构材料提供了全新思路，在航空航天、能源装备等高端领域具有重要应用前景。特别值得注意的是，该工作将高熵合金设计理念创新性地应用于沉淀相优化，通过限定多元素取代于Al亚晶格位点，在保证相稳定性的同时极大提升了APB能，这一思路对其它沉淀强化体系的开发也具有重要借鉴价值。