高熵超合金中钉扎主导强化机制的纳米力学研究及其微结构设计新策略

本研究针对高熵超合金(HESA)中γ'相强化机制不明确的问题，通过纳米力学测试揭示了γ纳米相嵌入γ'沉淀相导致的位错成核强度降低现象。研究发现化学无序会削弱γ'相强度，但通过构建分级微结构可实现钉扎主导强化，为开发新一代高性能超合金提供了关键理论依据。

　　

在传统镍基超合金研究接近性能极限的背景下，高熵超合金(High-entropy superalloys, HESA)通过多主元合金化打开了成分设计的新维度。这类材料将传统γ/γ'两相结构与高熵效应相结合，但其强化机制仍存在争议——化学复杂性带来的无序效应可能削弱γ'相(L1₂结构)固有的抗相界(APB)强化，而分级微结构中γ纳米相的引入又可能产生新的强化路径。

德国马普钢铁研究所(MPIE, Max-Planck-Institut für Eisenforschung)的Erika Zaiser团队在《Scripta Materialia》发表的研究，通过精妙的纳米力学实验设计揭示了这一矛盾现象。研究人员采用电化学溶解法从块体HESA-Y1合金(Ni_49.37Co₂₀Al_11.6Fe₄Cr₇Ti₆)中分离出原始γ'纳米立方体和含γ纳米颗粒的分级γ'纳米立方体，利用10μm平冲头纳米压痕仪进行单轴压缩测试，结合原子探针断层扫描(APT)和透射电镜(TEM)进行微结构表征。

关键技术包括：(1)两级时效处理(1260°C/5h+1100°C/2h和750°C/20h)分别获得原始和分级γ'相；(2)选择性阳极溶解法提取完整纳米立方体；(3)Bruker-Hysitron TI 980纳米压痕仪进行[001]向压缩；(4)APT重构γ纳米相三维分布；(5)互补累积分布函数(CCDF)分析强度统计数据。

研究结果
微结构特征：次级时效后γ'相内部形成平均半径3.8nm的γ纳米颗粒(A1结构)，体积分数4%，距沉淀相边缘34nm处形成无颗粒区。APT显示γ颗粒富集Ni(41at.%)而γ'相富集Al。

力学响应：分级γ'纳米立方体的平均屈服强度(2.64±0.6GPa)较原始γ'相(2.88±0.7GPa)降低约200MPa。CCDF分析显示该强度降低具有系统性，特征应力尺度σ_CCDF从3.03GPa降至2.57GPa。

尺寸效应：两类纳米立方体均呈现接近线性的尺寸-强度关系，变形后均激活多重{111}?110?滑移系，表明γ纳米相未改变基本变形机制。

讨论与结论
研究揭示了看似矛盾的"双刃剑"效应：(1)化学无序(Co/Ni、Ti/Al置换)降低APB能，削弱γ'相固有强度；(2)γ纳米相通过产生晶格失配应力促进位错成核；(3)在块体材料中，这些γ颗粒却通过钉扎超位错(disordered particle strengthening)实现净强化，理论计算显示其贡献达174-186MPa。

该研究首次在单颗粒尺度证实了HESA中分级强化的本质是"先弱后强"的动态过程：虽然γ纳米相降低位错成核势垒，但在塑性流动阶段通过τ_c=1.1455K/(rb_L12)·√(3f/4π)·√(rπγ_APB/K-1)机制阻碍位错运动。这一发现为设计"化学无序-结构有序"协同强化的新一代超合金提供了关键指导，突破传统Ni₃Al基合金的性能极限。