钛钽微合金化协同增强FCC/B2双相高熵合金沉淀强化效应研究

为解决FCC/B2双相高熵合金(HEA)中沉淀强化效果不足的问题，研究人员通过Ti和Ta微合金化策略，在Ni43.9Co19Cr10Fe10Al15Mo2B0.1基合金中同步提升FCC相L12析出相体积分数与B2相FCC结构析出相细化间距，使屈服强度提升至511 MPa，同时通过异质变形诱导硬化和堆垛层错滑移维持强度-塑性协同。该研究为高性能双相HEA设计提供了新思路。

　　

在材料科学领域，开发兼具高强度、低密度和优异塑性的结构材料一直是研究者追逐的目标。高熵合金(HEA)因其近乎无限的成分设计空间，为这一目标提供了全新路径。其中，由韧性面心立方(FCC)基体和硬质体心立方(B2)金属间化合物组成的双相高熵合金，因其独特的性能组合备受关注。然而，现有FCC/B2双相高熵合金仍面临沉淀强化效果有限、强度提升常以牺牲塑性为代价等瓶颈问题。如何通过精准的成分设计实现两相协同强化，成为该领域亟待解决的关键科学问题。

针对这一挑战，国内某高校材料科学与工程学院的研究团队在《Journal of Materials Science》发表了一项创新研究。他们选择Ni_43.9Co₁₉Cr₁₀Fe₁₀Al₁₅Mo₂B_0.1作为基体合金，通过引入Ti和Ta微合金化元素，实现了FCC和B2两相沉淀强化的协同增强。研究采用真空电弧熔炼结合均质化热处理制备合金，通过透射电镜(TEM)和原子探针断层扫描(APT)表征析出相演变，结合热力学计算揭示强化机制，并利用室温拉伸测试评估力学性能。

材料与方法
研究团队设计了三组对比合金：基体合金、Ti2合金(Ni_41.9Co₁₉Cr₁₀Fe₁₀Al₁₅Mo₂Ti₂B_0.1)和Ta2合金(Ni_41.9Co₁₉Cr₁₀Fe₁₀Al₁₅Mo₂Ta₂B_0.1)。所有合金经过1200°C/2h均质化处理后，采用相选择再结晶工艺调控组织。

合金化对FCC/B2两相沉淀行为的影响
在FCC相中，Ti和Ta使L1₂析出相体积分数分别增加至32.7%和28.5%，反相畴界能(APB)提升至210 mJ/m²。B2相中则形成纳米级FCC结构析出相，间距细化至45 nm。这种"双相协同析出"现象归因于Ti/Ta在热力学上对L1₂相的稳定化作用。

强化机制起源
第一性原理计算表明，Ti/Ta通过降低L1₂相形成能促进析出。FCC相中强化主要来自APB切割机制，贡献达340 MPa；B2相中Orowan绕过机制提供171 MPa强化。更硬的B2相还诱发异质变形诱导硬化(HDI)，使加工硬化率提升23%。

强度-塑性协同机制
虽然合金延伸率从18%降至12%，但FCC析出相中持续的堆垛层错滑移和相变有效抑制了B2相晶内裂纹扩展。这种独特的损伤容限设计使Ta2合金在屈服强度达1100 MPa时仍保持8%均匀延伸率。

该研究首次证实了Ti/Ta微合金化在FCC/B2双相高熵合金中的协同强化效应，建立了"成分-微观组织-力学性能"的定量关系。通过精准调控两相析出行为，不仅突破了传统强化机制的性能极限，还为开发新一代航空发动机叶片、航天结构件等关键材料提供了理论指导。特别值得注意的是，研究中发现的FCC/B2界面协同变形机制，为多相合金的强韧化设计开辟了新路径。