增材制造（3D 打印）技术凭借近净成形、成分设计灵活等优势，成为航空、石化、核电等高端装备制造领域的核心技术之一，而增材制造多组元合金因兼具优异的室温强韧性和高温抗氧化性，被视为下一代高温结构材料的重要候选。然而，中温脆性这一长期存在的难题，始终制约着这类合金在600-800°C 中温服役环境下的应用 —— 合金在此温度区间易出现塑性骤降、晶间脆性断裂，难以兼顾可靠的延展性和高强度，成为行业发展的关键瓶颈。
近期，由新加坡国立大学、香港城市大学、南洋理工大学、上海交通大学、清华大学等单位合作的研究团队，在国际顶级材料期刊Acta Materialia（IF=9.3，2026, 308, 121992）发表最新研究成果，提出基于价电子浓度（VEC）引导的钴双效合金化设计策略，成功攻克增材制造多组元合金的中温脆性难题。该策略通过钴合金化同时调控合金的析出路径和基体变形能力，实现了中温脆性向中温塑性的动态转变，所制备的富钴多组元合金在 700°C 下实现 1032 MPa 的极限抗拉强度和～24% 的延伸率，强塑协同性能远超现有增材制造合金体系，为下一代耐中温高性能结构合金的设计提供了全新范式。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.121992
一针见血：找准中温脆性的两大核心诱因
研究团队首先明确了增材制造多组元合金中温脆性的两大关键成因：
而传统单元素基合金的中温脆性多源于晶界氧致脱粘，多组元合金虽引入了 Cr 等抗氧化元素形成保护性氧化层，却因析出相结构不稳定陷入新的脆性困境，常规合金化手段难以同时解决析出相稳定性和基体变形能力的双重问题。
双效协同：钴合金化的 “神来之笔”
针对上述难题，研究团队创新性地选择钴作为合金化元素，利用其双功能调控效应，从析出相结构稳定和基体变形能力优化两方面同时发力，构建了全新的合金设计体系：
效应一：调控价电子浓度，实现析出相从非共格到共格的转变
钴的价电子浓度（9）低于镍（10），部分取代镍可降低合金整体价电子浓度，使热力学上不稳定的非共格 D0ₐ相被抑制，同时促进共格 L1₂相的析出与稳定。该 L1₂相为高对称纳米析出相，与 FCC 基体界面晶格畸变极小，即使经过700°C/192 h 长时间中温退火仍能保持结构稳定，彻底消除了非共格相界面的应力集中问题。
效应二：降低基体层错能，激活多元滑移与孪生变形机制
钴合金化显著降低了 FCC 基体的层错能（从 86.0 mJ/m² 降至 16.4 mJ/m²），使基体变形方式从单一的 {111}<110 > 全位错滑移，转变为以 {111}<112 > 分位错滑移为主的多元变形模式，成功激活了层错、形变孪晶、层级层错网络及 Lomer-Cottrell 锁等多种塑性变形机制，大幅提升了中温下的塑性协调能力和应变硬化能力。
研究团队设计了 Ni₅₇₋ₓCoₓFe₂₀Cr₂₀Nb₃（x=0,19,28.5,38）系列合金，通过激光粉末床熔合（LPBF）制备试样，系统验证了钴含量增加对析出相和变形机制的调控规律，实现了从无钴合金的中温脆性到富钴合金的中温塑性的逐步转变。
性能突破：中温强塑协同刷新纪录
在700°C 关键中温区间，该研究制备的富钴多组元合金展现出远超现有材料的综合力学性能：
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极限抗拉强度达1032 MPa，延伸率达~24%，延伸率较无钴合金提升近 6 倍，是现有增材制造合金中温延伸率的 5 倍以上；
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宽温域性能稳定，在400-800°C全中温区间均保持 20% 以上的延伸率，同时室温力学性能未受损失，实现了 “室温 - 中温” 全温度范围的强塑协同；
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中温氧化性能优异，断裂表面形成致密的 Cr₂O₃/Nb₂O₅多层保护性氧化层，有效抑制氧致晶界脱粘，进一步保障了中温服役的结构稳定性。
微观表征与第一性原理计算表明，富钴合金的优异性能源于共格 L1₂析出相的强韧化与低错能基体的多元变形机制的协同作用：共格析出相实现了高效强化且无应力集中，多元变形机制则保证了充足的塑性和持续的应变硬化，二者结合有效抑制了局部应力集中，延缓了微裂纹的形核与扩展，最终实现了中温脆性向塑性的转变。
理论与应用：为下一代结构合金设计提供新框架
该研究的价值不仅在于攻克了增材制造多组元合金的中温脆性难题，更在于建立了价电子浓度引导的双效合金化设计方法，从电子结构、相热力学、变形机制多尺度揭示了钴合金化的调控规律，为多组元合金、镍基高温合金、难熔合金等各类结构合金的中温性能优化提供了通用的设计思路。
同时，该策略与增材制造的成分设计灵活性高度匹配，可直接应用于航空发动机叶片、核电压力容器、石化高温管件等高端装备的增材制造，大幅拓展了增材制造合金的中温服役范围，推动增材制造技术在高端高温结构件领域的工程化应用。
研究团队
该论文的共同第一作者为新加坡国立大学范磊博士、魏至成博士和南洋理工大学田雨佳博士，通讯作者为新加坡国立大学闫文韬教授和香港城市大学杨涛教授。研究工作得到了新加坡 A*STAR、江苏省科技计划、新加坡 RIE2025 MTC 计划等项目的资助。
结语
此次研究以钴双效合金化策略为突破口，成功解决了增材制造多组元合金中温脆性的行业痛点，实现了中温强塑协同性能的跨越式提升。这一成果不仅丰富了多组元合金的设计理论，也为增材制造技术在高端高温装备制造领域的应用打开了新的大门，有望推动航空、核电、石化等领域的材料升级与制造技术革新。
