|
|
在液氢储罐、核聚变磁体、深空探测器等极端低温装备中，结构材料面临一个近乎“不可能”的挑战：屈服强度突破2 GPa，同时还要保持足够的塑性（大于20%）以避免突然断裂。传统2 GPa级合金（如冷加工MP35N）在-196°C下强度可达1.8-2.2 GPa，但均匀延伸率通常不足5%，几乎“一拉就断”。近年来火热的高熵/中熵合金虽低温韧性优异，但屈服强度大多在1.5 GPa以下徘徊。有没有一种设计，能让合金在2 GPa级强度下依然保持20%以上的均匀延伸率？
近日，香港理工大学陈子斌教授团队联合西安交通大学张金钰教授，在Nature Communications上报道了一项突破性成果Hierarchical nano-orderings enable extraordinary cryogenic strength-ductility synergy in a medium-entropy alloy。他们借助增材制造（3D打印）结合精准后处理，在NiCoCr-AlTa中熵合金中构建出分级纳米有序化（HNO）结构——从原子尺度的局域化学有序（~0.7 nm）、纳米尺度的双峰L1₂共格沉淀相（5 nm和26 nm），到约70 nm的非共格σ相，形成了跨越三个数量级尺寸的“有序家族”。这种精心设计的“应力接力”系统，在变形时依次激活不同尺度的位错源，并让位错与各级有序结构发生丰富的交互作用，从而同时实现了约1.96 GPa屈服强度、约2.35 GPa抗拉强度和约22%均匀延伸率的优异组合，刷新了2 GPa级合金的低温塑性纪录。
第一作者：张东东。通讯作者：张金钰教授；陈子斌教授
01传统困局：2 GPa强度与塑性“水火不容”
提升强度的手段（细晶、沉淀、固溶、位错）往往牺牲应变硬化能力——位错一旦启动便迅速耗尽，加工硬化率急剧下降，导致过早颈缩。在超细晶（UFG）合金中这一问题尤为突出：位错储存空间有限，通常呈现吕德斯带或锯齿流变，塑性极低（如NiCoV MEA屈服强度2.1 GPa但延伸率仅个位数）。如何在高强度下维持高且稳定的加工硬化率，是2 GPa级合金设计的核心难题。
02设计原理：Eshelby理论指引的“应力阶梯”
研究团队借助经典Eshelby夹杂理论，提出了一个关键设计准则：弹性应变能与有序化区域的尺寸三次方和错配度平方成正比（W ∝ r³δ²）。这意味着，通过设计不同尺寸和不同界面错配的纳米有序结构，可以实现阶梯式递增的弹性应变能——从局域化学有序（最小，错配极低）、细L1₂、粗L1₂，到σ相（最大错配），每一级都能在特定应力水平下触发位错形核，从而在宽应变范围内持续提供“新鲜”位错。具体而言，σ相的错配度高达93.6%（因其晶格常数与基体差异巨大），粗L1₂约0.69%，细L1₂约0.19%，LCO仅0.06%。这种定量化的能量阶梯，使得形核位错所需的临界应力从低到高依次分布，避免了单一尺寸沉淀相“一次性耗尽”的问题。
增材制造在其中扮演了不可替代的角色：极快的冷却速度（10³-10⁸ K/s）带来了Ta元素在微观尺度上的不均匀分布，这种化学异质性在后续热处理中分别驱动了σ相（Ta富集区）、双峰L1₂（Ta中等富集区）和高度畸变的局域化学有序（原子尺度Ta团簇）的形成。这种非平衡结构在传统铸锭中无法实现——铸态样品仅能形成粗大的Laves相和单一尺寸L1₂，导致强度和塑性均大幅逊色。
03微观结构：跨越三个数量级的“有序家族”
HNO结构的关键结构特性：
- 相：平均直径约70 nm，数密度6.3×10¹⁹ m⁻³，与基体非共格界面，错配度高达93.6%，Ta强烈富集。这些纳米颗粒沿晶界和晶内均匀分布，同时通过Zener钉扎效应有效抑制晶粒长大，帮助获得平均0.76 μm的超细晶组织。
- 双峰L1₂：粗L1₂约26 nm（数密度2.2×10²² m⁻³），细L1₂约5 nm（数密度3.9×10²⁴ m⁻³），均与基体共格，粗L1₂错配度0.69%，细L1₂错配度0.19%。这种双峰分布源于增材制造中Ta的非均匀分布——Ta浓度高的区域形成大尺寸L1₂，低浓度区域形成小尺寸L1₂。
- 局域化学有序（LCO）：平均尺寸约0.66 nm，数密度高达2.6×10²⁶ m⁻³，由Ta富集原子团簇构成，错配度仅0.06%——这与普通LCO（如NiCoCr中几乎无畸变）截然不同。这种畸变来源于Ni-Ta强负混合焓（-29 kJ/mol），即使Ta原子被“拖”入基体仍保持短程聚集，产生强烈的弹性应变场。
这些有序化特征均匀分布在平均晶粒尺寸约0.76 μm的超细晶基体中，形成了一种“原子-纳米-亚微米”多级复合结构，其尺寸跨越三个数量级、数密度跨越六个数量级。
Fig.1. 层次纳米有序结构
04性能突破：2GPa屈服强度+22%均匀延伸率
- 屈服强度：约1.96 GPa；抗拉强度：约2.35 GPa；均匀延伸率：约22%；强塑积：约52 GPa%。
与铸态+同热处理样品相比（屈服1.54 GPa，延伸仅14%），HNO样品的屈服强度提升27%，延伸率提升57%。更为关键的是，该合金在-196°C下表现出持续稳定的应变硬化，加工硬化率在宽应变范围内维持在2.8 GPa以上（初始达5.0 GPa），远超大多数2 GPa级合金（后者往往快速下降甚至出现负硬化）。其强度-塑性组合在所有已报道低温结构材料中处于领先地位，甚至超越了近期报道的最佳高熵合金。此外，断裂韧性也达到78.3 MPA·m¹/²，对于2 GPa级合金而言极为难得。
Fig. 2 优异低温力学性能.
05机制解密：三重复合功能
（1）次序位错源（图4）根据Eshelby理论，σ相（错配度93.6%，尺寸最大）产生最高的弹性应变能，因此在低应变下率先发射位错；随后粗L1₂（错配0.69%）、细L1₂（0.19%）、LCO（0.06%）依次激活。实验证实在小应变（3%）时位错优先出现在σ/基体界面，中应变（9%）时L1₂界面开始大量产生位错，大应变（22%）时LCO区域也出现位错活动。这种“接力式”源机制确保整个变形过程中位错供给不断，且分布均匀。
（2）协同应变硬化（图5）
- 非共格相：充当不可穿透障碍，位错在其周围塞积，有效储存位错。70 nm的细小尺寸既提供了高效位错存储（根据公式dρ/dε ∝ (6f/π)^{2/3}/d，颗粒越小存储效率越高），又避免了微米级硬颗粒常见的开裂或脱粘。
- 双峰L1₂：被位错/层错反复剪切，在有序结构内产生反相畴界（APB）和复杂层错（如超晶格内禀层错SISF）。这些残余缺陷的能垒比普通缺陷更强烈地阻碍后续位错，且双峰尺寸分布使剪切能在宽应变范围持续进行。尤其重要的是，在多滑移系剪切下，L1₂内部还形成了Lomer-Cottrell锁，这种“锁在有序相内”的结构比无序基体中的锁更稳定，进一步增强了硬化。
- 畸变LCO：MD模拟显示，在含LCO的NiCoCr中，位错线呈现波浪形、分段式前进，而非纯Cu中的平直滑移。这是因为LCO引起局域晶格畸变、Peierls应力波动和层错能变化，位错必须在“起伏的能量景观”中逐段脱钉，这种迟滞运动大幅增加了位错纠缠和锁住概率。由于本合金中Ta原子尺寸更大（比Ni大15%），畸变强度远超普通LCO，因此此效应更为显著。
（3）均匀塑性流动抑制局部损伤得益于上述位错源的广泛分布和有序结构的协同硬化，塑性应变在整个变形体积内均匀分布，避免了剪切带或应变局域化。
Fig. 3. 次序位错源激活助力位错持续增殖
Fig.4. 多重位错-有序体交互作用助力多机制加工硬化协同.
06总结：增材制造+精准热处理开辟新范式
新结构：通过增材制造固有的化学异质性，结合后处理，构建了从原子到纳米尺度、跨越三个数量级尺寸和六个数量级数密度的分级纳米有序化。
新机制：基于Eshelby理论，不同尺寸和错配的有序化区域形成阶梯式弹性应变能，实现位错源的顺序激活和协同硬化——这是首次将Eshelby理论定量应用于多级有序结构设计。
新性能：在-196°C下实现2 GPa级屈服强度+22%均匀延伸率，打破2 GPa级合金塑性不足的魔咒，综合性能超越所有报道的低温结构材料。
新制造：提出一种将增材制造“非平衡优势”与传统热处理“稳定性调控”相结合的混合制造策略，为高性能极端环境材料的设计提供了可扩展的工业路径。更重要的是，该策略将增材制造从“成形工具”升级为“微观结构设计工具”，大大拓展了3D打印在材料科学中的价值边界。
该研究不仅解决了2 GPa级合金的塑性瓶颈，更揭示了通过“有序家族”的分级设计，让不同尺度的有序化各司其职——大尺度负责启动，小尺度负责持续硬化，这种多级协同思路可推广至其他体系。
香港理工大学陈子斌课题组诚招博士生及博士后(2027)
陈子斌教授隶属于香港理工大学（The Hong Kong Polytechnic University）工业及系统工程学系（Department of Industrial Systems Engineering）
研究方向：（1）3D 打印金属材料的强韧化；（2）新型铁电材料的性能与机理；（3）人工智能与材料开发。
课题组介绍：目前课题组主要从事原位电子显微学表征技术研究，增材制造（3D打印）金属合金的研究，以及新型铁电材料的研究；相关成果发表在 Nature, SCIence, Nature Materials, Nature Communications, Science Advances, Physical Review Letters, Acta Materialia 等期刊。
关于香港理工大学：在最新的2026年QS全球最好大学排名第54位， 2025年US NEWS学科排名中工程类排名第6位。拥有设备完善的3D打印中心，超过10台3D打印设备，包括SLM，EBM以及其他3D打印机.拥有全新的双球差矫正（扫描）透射电子显微镜，里面包括monochromator（单色器）, super X EDS, BF, DF, HAADF, DPC detectors, EELS+K3。
博士研究生:
提供全额奖学金（HK$19,000/月，3年）；
入学时间：2027年1月，5月，9月均可；
要求：本科毕业于全球排名前500的国际知名高校；
拥有结构或者功能材料，机械，冶金，物理等相关领域的硕士学位，或同等学历；本科及硕士期间在JCR一区期刊以第一作者发表1篇或以上论文；
优先考虑拥有材料设计与生长，材料处理与加工，性能与结构表征相关经验的候选人；优先考虑掌握光学显微镜（OM），扫描电镜（SEM），透射电镜（TEM），聚焦离子束（FIB），X 射线衍射（XRD），原位技术（In-situ），增材制造工艺（AM）的候选人；优先考虑有论文发表和出版经历，国内外专利的候选人；
英语要求：未获得英语教学语言学位的申请人，雅思（IELTS）种取得总分至少6.5 分以及各项不低于 5.5 分；托福（TOEFL）550 分（Paper-based）以上或者80 分（Internet-based）以上。
博士后研究员:
HK$27,000-30,000/月；2年合同，合同可以延续（根据工作进展与表现）；全职（35小时每周）
要求：博士毕业于知名高校, 具有材料科学与工程或相关专业的博士学位；过去在JCR一区期刊以第一作者发表4篇或以上论文；发表期刊特别优秀者可减免文章数量要求; 在3D打印，铁电材料，或者电子显微学相关领域具有较强的研究背景；具有独立完成课题与指导硕士生，博士生的能力。
申请方式：
如有兴趣，请将个人简历及代表性成果通过电子邮件发送邮箱: zi-bin.chen@polyu.edu.hk
本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。
近期学术会议推荐
欢迎留言，分享观点。点亮❤ |
本帖子中包含更多資源
您需要 登錄 才可以下載或查看，沒有賬號？立即註冊
×
|
發表於 2026-7-20 00:15:33
