研究背景：为满足极端环境下的使用要求，设计在宽温域范围内均具有优异性能的合金对于航空、航天、低温海洋等先进现代工业尤为重要。然而传统合金的性能通常仅限于特定且相对较窄的温度范围。例如，典型的铁素体和马氏体钢通常在室温下表现出优异的拉伸性能，但在低温下会出现严重脆化，这是由有害的晶界偏析或基体强度高于晶界的强度引起的。泰坦尼克号事件是低温脆化引起的灾难性冶金事故之一。相反，在低温下具有优异性能的合金在高温下往往表现不佳，如奥氏体钢。因此开发在宽温域范围内均具有优异强塑性的合金对于现代工业的发展尤为重要。

近年来，基于高熵准则的多主元合金设计方法，为在广阔的成分空间中设计具有优异机械性能的新型合金提供了巨大的潜力。虽然目前已报道了多种高熵合金类型，如单相高熵合金，共晶高熵合金、难熔高熵合金等，这些合金同样很难在较宽温度范围内同时获得优异强塑性的结合。

为此，香港城市大学杨涛教授领衔的研究团队基于多主元合金设计方法与热处理调控获得了一种宽温域范围内（-196~1000 °C）均具有优异综合强韧性的析出强化高熵合金。通过向非等原子比FeCoCrNi基体中引入较高含量的Ti, Al, Ta, W, Nb等L1₂形成元素，促进大量与FCC 基体共格的多组元L1₂纳米颗粒的析出，L1₂密度高达58.5%，同时具有较高的固溶温度约为1165 °C。从而保证了该合金从低温到高温能维持较高的强度，另一方面通过合理控制Co元素添加，稳定纳米颗粒，并降低合金的层错能，从而激发在低温变形过程中大量层错的产生，进而提高其在低温下的强塑性。有趣的是，该合金在700 °C表现出了明显的反常屈服现象，屈服强度可达1045 MPa，这主要归功于L1₂内部超晶格位错的交滑移现象所形成的Kear -Wilsdorf (K-W)锁。更为重要的是，通过机械热处理的方法使得晶界锯齿化，从而提高了晶界抗中温脆性的能力，即使在较高的应力下，该合金在 600–800 °C中温区间仍然表现出了优异的延展性。而大多数传统镍基或钴基高温合金在该温度区间表现出了非常严重的晶间脆性，导致沿晶界出现过早脆性断裂。该研究成果有望为宽温域范围内高强韧高熵合金的设计开发提供重要的理论基础与科学指导。相关成果以“A strong-yet-ductile high-entropy alloy in a broad temperature range from cryogenic to elevated temperatures”为题发表在金属领域顶刊《Acta Materialia》上。论文通讯作者为香港城市大学杨涛教授，第一作者为周英豪（博士后）。其他合作者包括北京航材院孙志雨、南海研究员；香港城市大学赵仕俊教授、栾军华博士；南方科技大学严明教授；哈尔滨工业大学（深圳）赵怡潞教授等等。

研究者们结合合金设计与机械热处理调控，成功设计出了一种具有高密度共格纳米析出和锯齿晶界形貌的高熵合金，能够在较宽温度范围内（超低温到高温）均具有优异力学性。与此同时，基于理论计算与微观结构表征，阐明了同时在宽温域范围内获得优异强塑性的内在机制。这些研究发现也有望应用到其他的金属结构材料，从而进一步推动材料的组织优化与性能提升。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424001228#sec0010

图1 高密度异质L1₂颗粒及锯齿晶界

图2 异质L1₂析出相及其内部反析出FCC相形貌及共格界面

图3 TEM-EDS能谱分析

图4 三维原子探针精确定量析出相成分沿界面的变化

图5 宽温域范围内（-196~1000 °C）力学性能及其与其他合金对比

图6 锯齿晶界在抗中温脆性方面的关键作用

图7 在700 °C变形量为5%样品中所观察到的超晶格位错的交滑移现象

图8 所设计合金在700 °C断裂后样品中的变形组织

图9 所设计的合金在低温与室温条件下的变形组织

图10 所设计的合金在800和900 °C条件下的变形组织