宽温域“全能战士”：新型高熵合金突破高温强塑性互斥瓶颈

从室温到900°C，屈服强度保持数百兆帕，延伸率始终高于25%——一项基于定向层状与颗粒状D0₁₉析出相设计的微观结构工程，让高熵合金在极端温度下仍能“刚柔并济”。

燃气轮机叶片在高温高速气流中运转，航空发动机部件需耐受剧烈温差，核能设备材料面对辐射与热循环的双重考验……极端高温环境对结构材料提出近乎苛刻的要求：既要具备足够强度抵抗变形，又需保持良好塑性以承受冲击与振动。

传统沉淀强化合金往往陷入“中温脆性”困境：随着温度升高，强度与塑性此消彼长，难以兼得。

近期，香港城市大学杨涛教授一项发表于《Acta Materialia》的研究Enhanced strength-ductility combinations over a wide temperature range in high-entropy alloys via manipulating the nano-lamellar precipitation behavior，通过精巧的纳米层状析出相结构设计，成功开发出一种在室温至900°C宽温域内均展现卓越强塑性协同的高熵合金，为下一代高温结构材料指明了新方向。

01 中温脆性：高温材料的“阿喀琉斯之踵”

沉淀强化是提升合金强度的经典策略，通过引入纳米级第二相颗粒阻碍位错运动，赋予材料更高的承载能力。在众多强化相中，具有六方密排结构的D0₁₉（ε）相因其高温稳定性与良好的强化潜力备受关注。

然而，传统D0₁₉强化合金存在明显短板。这些析出相往往以非定向层状形态随机分布，在提升强度的同时，严重限制了材料的变形能力。特别是在中温区间，材料塑性急剧下降，出现明显的脆性断裂倾向，学界称之为“中温脆性”。

例如，已有研究报道：某些含高密度D0₁₉析出相的高熵合金虽获得高强度，但其延伸率不足15%；而另一些追求良好塑性的合金，屈服强度仅能维持在500兆帕左右。强度与塑性的“此消彼长”，成为制约D0₁₉强化合金走向广泛应用的核心瓶颈。

02 结构破局：定向层状+颗粒状复合析出相设计

研究团队另辟蹊径，提出一种定向层状与颗粒状结构复合的析出相设计方案。

他们选取成分为(Ni₂Co₂FeCr)₈₆Al₄Nb₄B₁（原子百分比）的高熵合金，通过一套精巧的“热机械加工组合拳”：先将铸锭在1200°C均匀化处理后，于900°C长时间保温析出初生D0₁₉相；随后进行多轮“冷轧（20%变形量）+ 900°C短时退火”循环，累积总变形量达80%。

这套工艺的妙处在于，冷轧引入的变形储能与后续退火的热激活相结合，引导D0₁₉相不再以杂乱的魏氏体形态析出，而是沿轧制方向排列，形成 “定向层状”与“颗粒状”共存的独特微观结构。

相比之下，传统工艺制备的对比合金中，D0₁₉相呈现典型的非定向交错层状结构。两者基体成分相同，核心差异仅在于析出相的形貌与分布。

03 性能飞跃：从室温到900°C的全面领先

力学测试结果令人振奋。这种具有定向层状与颗粒状结构的新合金展现出全方位的性能优势：

室温表现：屈服强度高达821±24兆帕，抗拉强度1220±15兆帕，延伸率27±2%。其强度-塑性综合指标显著优于对比合金。

高温性能（700-800°C）：新合金成功规避了中温脆性。在700°C下，屈服强度770兆帕，延伸率37%；800°C下，强度仍有670兆帕，延伸率更是高达63%。而对比合金在这些温度下延伸率已暴跌至10%以下。

超高温表现（900°C）：新合金仍保持301兆帕的屈服强度与90%的优异塑性。

断裂模式分析进一步印证了其韧性本质。新合金在所有测试温度下的断口均呈现高密度韧窝，为准解理断裂；而对比合金在室温至800°C均显示典型的脆性沿晶断裂形貌。

与各类高性能合金数据库对比，这种新材料在整个宽温域内的强塑性协同效应均处于领先地位，实现了对传统沉淀强化合金、钴基及镍基高温合金的全面超越。

04 机理揭秘：微观结构如何掌控变形行为

透射电镜与电子背散射衍射分析揭示了性能卓越背后的秘密。

室温变形时，新合金中的D0₁₉析出相因尺寸较大、与基体结合强，位错难以“切过”，主要采取 “绕过”机制，在颗粒周围形成位错环。这带来了显著的奥罗万强化效应。同时，基体内形成高密度层错与缠结位错，共同贡献了高强度与良好的加工硬化能力。

高温变形（700°C及以上）时，变形孪晶开始被激活。这些孪晶与层错相互作用、交织，形成了复杂的亚结构。这种“动态霍尔-佩奇效应” 与缺陷间的相互阻碍，有效抵消了高温下的动态软化趋势，是维持高温强度与塑性的关键。

此外，不可切割的D0₁₉析出相扮演了多重角色：它们不仅是强化的“锚点”，其界面处还能诱发局部应力集中，促进层错与孪晶形核；同时，这些颗粒能通过齐纳钉扎效应阻碍晶界迁移，抑制晶粒长大，并将动态再结晶的起始温度提高了约100°C，从而稳定了高温下的细晶组织。

05 未来展望：为极端环境设计新材料

这项研究通过微观结构创新，成功驾驭了D0₁₉相的强化潜力，打破了其固有的脆性枷锁，为设计下一代宽温域高性能结构材料提供了全新范式。

其意义不仅在于一组优异的性能数据，更在于揭示了一条可推广的材料设计路径：通过巧妙的工艺设计，调控析出相的形貌、尺寸、分布与界面特性，可以协同优化其在室温与高温下的强化与韧化机制。

未来，类似的“析出相结构工程”策略有望应用于更广泛的合金体系，推动航空发动机、重型燃气轮机、核电装备等关键领域材料的升级换代。当金属材料能在冰火两极间从容应对，人类探索能源与动力的边界，也将随之拓展。

关键结果速览