中南大学李志明团队Advanced Science：轻质难熔高熵合金领域重大突破！

难熔合金是航空发动机、高超声速飞行器等尖端装备在高温、高载荷环境下服役的关键材料。然而，传统难熔合金及近年来兴起的难熔高熵合金（RHEAs），虽具有出色的高温强度，但其室温塑性往往极差，严重制约了材料的加工成型与工程应用。如何打破难熔合金的强度-塑性矛盾，获得兼具GPa级屈服强度和优异拉伸塑性的轻质难熔材料，是领域内长期悬而未决的核心挑战。

针对上述难题，中南大学材料科学与工程学院李志明教授团队提出并验证了一种全新的微观结构设计策略：在轻质难熔高熵合金中引入弥散分布的化学梯度有序纳米域 (CGONs)。该纳米域不仅与基体共格，且其内部化学成分从外壳到核心呈梯度连续变化，外壳成分与基体几乎一致。这种独特的“无尖锐界面”结构设计，有效降低了界面应变能，促进了应力高效传递，并持续激活位错形核与增殖，从而实现了强度与塑性的协同提升。

研究团队设计的Nb-Zr-Ti-Ta-Al系RHEA，密度仅为6.48 g/cm3，室温屈服强度超过1.0 GPa，同时获得了21.5% 的均匀延伸率和47.8% 的断后延伸率。该材料的比屈服强度与延伸率乘积达到了前所未有的7.6 GPa·g-1·cm-3·%，综合性能显著优于现有报道的同类合金体系。相关成果以“Chemically Gradient Ordered Nanodomains Enable Large Tensile Ductility in Gigapascal Lightweight Refractory High-Entropy Alloys”为题发表在《Advanced Science》上。

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202407647

一、微观结构：CGONs的形貌与化学梯度

研究团队通过原子探针层析（APT）和球差校正扫描透射电镜（STEM）等技术，对合金的纳米尺度结构进行了精确表征。如图1所示，在BCC基体中均匀分布着大量尺寸仅为1-3 nm的有序B2结构纳米畴。关键发现是，这些纳米域的化学成分呈现梯度变化：从外壳到核心，Zr、Ti、Al浓度逐渐升高，而Nb、Ta浓度逐渐降低。外壳成分与基体几乎相同，保证了极高的界面共格性（界面错配度仅约0.018%）。

【图1】轻质RHEA的多尺度结构表征: (a) XRD衍射图谱及(b) EBSD相图共同确认合金基体为单一BCC结构; (c) APT三维重构图显示纳米域分布; (d) 一维浓度分布图揭示纳米域内部的化学梯度; (e) 暗场TEM图像证实有序B2结构; (g-j) 原子尺度HAADF-STEM图像及强度分布，验证了CGON的有序结构。

二、 原子尺度化学与晶格信息：CGONs的本质特征

图2进一步从原子尺度揭示了CGONs的化学波动和晶格参数。通过逆傅里叶变换（IFFT）和傅里叶变换（FFT）花样（图2a‑c），可清晰区分CGON与BCC基体区域。原子级STEM‑EDS面分布（图2d）显示，在CGON内部，Zr、Ti、Al元素略有富集，而Nb、Ta则相对贫化，这与APT结果定性一致。更重要的是，高分辨率中子衍射（图2e）不仅证实了BCC基体相，还观察到了(100)、(210)等超晶格衍射峰，为CGON的有序结构提供了宏观统计证据。精修结果表明，基体与CGON的平均晶格参数分别为3.383 Å和3.293 Å，表观错配度为2.63%。然而，由于CGON内部存在化学梯度，其局部晶格尺寸从核心向外逐渐过渡（图2f），使得实际界面处的错配度仅约0.018%，这解释了为何界面能极低、纳米域能够稳定存在且保持共格。

【图2】原子尺度化学及中子衍射分析：(a‑c) IFFT图像及对应FFT花样，定位CGON与BCC基体区域；(d) 原子级STEM‑EDS面分布显示元素在CGON内的波动；(e) 中子衍射精修图谱，红色箭头标示超晶格峰；(f) 示意图展示CGON内部晶格尺寸从核心到外壳的梯度变化，界面错配极小。

三、力学性能：突破性的强度-塑性协同

室温拉伸测试结果如图3所示。该RHEA的屈服强度达到1032 MPa，相较于不含CGONs的对比三元基体合金（617 MPa）提升了67.3%。更为重要的是，其均匀延伸率（21.5%）是基体合金（8.2%）的近三倍，总延伸率高达47.8%。应变硬化率（SHR）分析表明，RHEA在宽泛的真应变范围内（3%-14.5%）表现出持续上升的SHR，这是其优异均匀变形能力的直接体现。

【图3】室温拉伸性能：(a) 工程应力-应变曲线对比；(b) 真应力-应变及应变硬化率曲线，显示RHEA持续升高的加工硬化能力；(c-d) 比屈服强度与延伸率的综合性能对比，本工作（红色星号）位于图表右上角，优势显著。

四、变形机制：CGONs促进的多重位错行为

为揭示优异塑性的来源，作者对变形后的微观结构进行了系统表征（图4）。结果表明，CGONs在变形中扮演了多重关键角色：

• 促进位错形核：共格界面与化学梯度降低了位错形核能垒，在变形初期促进了大量位错的均匀形核与滑移。

• 激活交滑移与位错增殖：CGONs引起的局域应力场和成分波动，促进了螺位错的双交滑移，产生了大量的位错环、割阶和弗兰克-瑞德源，实现了位错的快速增殖。

• 储存位错与均匀化变形：形成的位错网络和缠结有效地储存了位错，并通过分散应变集中，延缓了颈缩的发生，从而获得了极高的均匀延伸率。

【图4】变形亚结构演变：(a-c) EBSD局部取向差（KAM）图显示随应变增加，位错均匀分布于整个晶粒内部；(d-j) STEM图像揭示变形产生的位错通道、位错环、割阶及位错网络等丰富亚结构；(k) 原子尺度IFFT图像确认了a/2<111>型位错。

【结论与展望】

这项工作成功开发了一种集低密度、超高强度与超常拉伸塑性于一体的新型轻质难熔高熵合金。其核心在于化学梯度有序纳米域（CGONs）的创新设计。该结构不仅提供了显著的强化效果，更重要的是，它通过促进位错的均匀形核、多系滑移、交滑移与有效存储，从根本上优化了材料的加工硬化能力和塑性变形能力。

该设计理念为突破难熔合金的强度‑塑性困境提供了全新思路，并可望推广至其他多元合金体系，为开发新一代高性能结构材料开辟了新方向。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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