双功能钼偏析工程实现无自然时效效应的Fe-Mn-Al-Ni-Mo单晶形状记忆合金

针对Fe-Mn-Al-Ni形状记忆合金(SMAs)单晶制备困难与自然时效效应显著的技术瓶颈，研究人员通过创新性双功能Mo偏析工程，成功制备出直径15.5mm的超大单晶棒材，其B2纳米沉淀相在1.5年自然时效后仍保持稳定，[001]取向单晶展现出8.5%的超弹性应变(εSE)，为深空等极端环境应用提供了高性能材料解决方案。

　　

在航空航天、深空探测等极端环境领域，形状记忆合金(SMAs)因其独特的超弹性性能备受关注。其中Fe-Mn-Al-Ni基合金因其超弹性应力极低的温度依赖性展现出特殊优势，然而两大技术瓶颈长期制约其应用：传统方法难以制备大尺寸单晶，且合金存在显著的自然时效现象——B2型NiAl纳米沉淀相会随室温放置时间延长而粗化，导致性能持续衰减。这就像拥有"记忆"能力的金属材料却患上了"早衰症"，严重限制了其工程应用可靠性。

针对这些挑战，中国的研究人员创新性地提出双功能钼偏析工程策略。通过真空感应熔炼制备Fe-34Mn-15Al-7.5Ni-2Mo(at.%)合金（简称8Ni2Mo），采用循环热处理(CHT)技术，结合先进的电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等表征手段，系统研究了Mo元素对异常晶粒生长(AGG)和B2沉淀相稳定性的双重调控机制。

在微观结构表征方面，研究发现Mo元素在高温下优先偏聚于晶界，产生强溶质拖曳效应，使得仅有少数晶粒能够突破束缚实现异常生长，最终获得直径达15.5mm、长度约95mm的超大单晶。更令人振奋的是，低扩散系数的Mo原子有效抑制了B2沉淀相（关键功能相）的室温粗化——1.5年自然时效后，含Mo合金中B2相尺寸保持稳定(~10.2nm)，而对比组Fe-Mn-Al-Ni(6Ni)合金的B2相从~7.7nm增长至~10.1nm。这种稳定化效应直接转化为卓越的性能表现：[001]取向单晶在长期自然时效后仍保持8.5%的超大超弹性应变，完全克服了传统合金的"性能衰退"难题。

技术路线的核心突破在于Mo元素的双重角色：高温时作为"晶界钉扎剂"促进单晶制备，室温时又化身"扩散壁垒"稳定纳米结构。这种"一石二鸟"的设计理念，不仅解决了Fe-Mn-Al-Ni SMA产业化的两大技术障碍，更开创了通过元素偏析工程调控材料性能的新范式。研究团队通过系统的相变温度测试、纳米压痕分析和三维原子探针层析技术(APT)，证实Mo的添加使马氏体相变温度(M_s)降低约50K，同时显著提升基体硬度，这些都为理解成分-结构-性能关系提供了新见解。

该成果发表于《Journal of Materials Science》，其重要意义在于：首次实现Fe-Mn-Al-Ni系合金单晶尺寸与时效稳定性的双重突破，为开发适用于太空等恶劣环境的高可靠性智能材料开辟了新途径。提出的双功能元素工程策略，对其它功能合金的研发也具有普适性指导价值，标志着我国在先进金属材料设计领域取得重要进展。未来，这种"抗衰老"单晶合金有望在空间展开机构、精密驱动器等关键部件上实现应用，为极端环境下的智能装备提供"永葆青春"的材料解决方案。