成分调控诱导L12短程有序结构的CoCrNiAlMo中熵合金设计与性能优化

为突破强度-塑性倒置难题，研究人员通过真空电弧熔炼制备Co18Cr27Ni45Al10-xMox中熵合金（MEAs），发现Mo2组分通过FCC基体与L12短程有序（SRO）协同强化，实现屈服强度372MPa、延伸率59.7%的优异组合，为高性能结构材料设计提供新思路。

　　

在材料科学领域，如何打破传统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。中熵合金（MEAs）作为多主元合金（MPEAs）的重要分支，凭借其独特的"四大效应"——高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应，为开发兼具高强度和高塑性的结构材料带来了新希望。然而，要实现性能的精准调控，必须深入理解成分-结构-性能之间的构效关系，这正是当前研究的难点所在。

华南理工大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的最新研究中，通过CALPHAD（相图计算）方法指导设计，采用真空电弧熔炼技术制备了Co₁₈Cr₂₇Ni₄₅Al_10-xMo_x（x=0,2,4,6）系列中熵合金。研究综合运用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）等技术，系统探究了钼含量对微观结构和力学性能的影响规律。

【材料与方法】
研究采用高纯度（≥99.9%）金属原料，在8.0×10^-4Pa高真空条件下进行电弧熔炼。通过预熔钛锭消除残余氧，确保合金纯净度。利用Pandat软件进行热力学计算，预测相组成和摩尔分数随温度变化规律。

【合金设计与CALPHAD分析】
非等原子比的Co₁₈Cr₂₇Ni₄₅设计确保基体与L1₂相间的元素分配。热力学计算表明，Al的添加能促进L1₂相形成，而Mo的引入可提高其热稳定性。当x=2时（Mo2合金），体系达到最优的A₃B化学计量比（Ni₃Al型），最有利于有序相形成。

【结果与讨论】
XRD分析证实所有合金均保持面心立方（FCC）结构，但仅在Mo0和Mo2中发现L1₂纳米相。Al的添加产生显著晶格畸变，适量Al（8at%）可实现晶粒细化。TEM观察显示，Mo2合金中1-2nm尺度的短程有序（SRO）区域与基体保持共格关系，产生弹性应变场阻碍位错运动。该组分展现出最优力学性能：屈服强度372MPa、抗拉强度694MPa、延伸率59.7%，归因于三重强化机制的协同作用——化学有序强化（APB形成）、共格强化（晶格错配）和SRO强化（局域应力场）。

【结论】
该研究通过精确的成分设计，在Co₁₈Cr₂₇Ni₄₅Al₈Mo₂中熵合金中实现了FCC基体与L1₂短程有序的理想匹配，突破传统金属材料的强度-塑性权衡限制。其创新性体现在：首次阐明Mo含量对L1₂相形成的阈值效应（x≤2），建立成分-有序度-性能的定量关系；发现纳米级SRO可通过多重强化机制协同提升材料性能，为开发新型高性能结构材料提供理论指导和技术路径。这项成果对航空航天、核能装备等极端环境用材的开发具有重要参考价值。