《Adv Sci》：重構合金析出相界面，破解復雜成分合金脆化難題

日前，松山湖材料實驗室空間材料團隊在國際頂級期刊《Advanced Science》在線發表最新研究進展——《Transforming Grain-Boundary Brittle Precipitates to Ductility Pathways in Complex Concentrated Alloy》。該工作通過原子尺度梯度界面工程的創新策略，顛覆了晶界脆性析出相導致材料脆化的傳統認知，成功將復雜成分合金中晶界脆性相轉化為塑性通道，實現了高強度與高塑性的優異協同，為析出強化合金突破強度-塑性權衡難題提供了通用化的材料設計方法，也為極端環境結構材料研發開辟了全新路徑。

復雜成分合金憑借嚴重晶格畸變、緩慢擴散等獨特特性，在航空航天、核工業等極端環境結構材料領域展現出巨大應用潛力，成為結構材料設計的重要方向。但這類合金在制備或服役過程中，晶界易形成脆性析出相，這類析出相雖能提升材料強度，卻會成為應力集中源，加速裂紋的形核與擴展，造成材料塑性急劇下降。受其成分復雜性的影響，通過相圖預測抑制脆性相形成、或通過熱機械處理改性析出相的方法難以奏效，脆化問題始終是制約其產業化應用的核心瓶頸，而強度與塑性的固有權衡更是該領域長期難以攻克的難題。

針對這一關鍵挑戰，空間材料團隊跳出“抑制脆性相形成”的傳統思維，提出“改造脆性相界面使其成為塑性通道”的全新思路。團隊先基于機器學習框架，篩選出無貴重金屬添加的Ni??Cr??Al??Fe?條幅分解合金作為模型體系，再通過精準調控冷軋+退火的熱機械處理工藝，在脆性BCC相和L1?相間構建出成分與結構梯度界面（GIs），其中1173 K退火制備的5~12 nm寬擴散型梯度界面，成為實現材料性能突破的關鍵結構（圖1）。

圖1. 不同退火溫度下合金的梯度界面與尖銳界面結構表征

研究團隊通過室溫拉伸測試、原位中子衍射拉伸表征、高分辨電鏡分析結合分子動力學模擬，系統驗證了梯度界面改性后合金的優異性能與內在變形機制。該梯度界面工程改性后的復雜高熵合金，實現了~1.2 GPa超高屈服強度與~20%高總延伸率的強塑協同，性能遠超傳統析出強化合金；同時因無貴重金屬添加，兼具低成本優勢，且展現出卓越的熱穩定性，在0.72T?高溫下長時間退火120 h后，仍能保持1.42±1.37 μm的超細晶結構，晶界無明顯粗化（圖2）。這一卓越性能源于梯度界面誘導的相間順序塑性激活與動態應力再分布機制：梯度界面下BCC脆性相率先屈服，位錯先在BCC相中形核發射，隨后應力觸發相鄰L1?相的堆垛層錯增殖，實現軟硬相間的協調變形；而L1?相內形成的拓撲壁壘（層錯，位錯）會將應力重新分配回BCC相，形成持續的應變硬化循環，從根本上避免了晶界脆化引發的裂紋萌生與擴展（圖3，圖4，圖5）。

圖2. 合金室溫拉伸性能及與傳統合金的強塑-成本對比

圖3. 梯度界面合金室溫拉伸過程的微觀結構演化

圖4. 梯度界面與尖銳界面拉伸變形的分子動力學模擬

圖5. 合金變形后原子結構的實驗與模擬結果對比

相較于傳統合金改性方法，該團隊提出的梯度界面工程策略具有三大獨特優勢：1）創新性強，實現了脆性析出相從“裂紋源”到“塑性通道”的功能反轉，顛覆了傳統認知；2）通用性高，只要合金體系具備自發元素偏聚的熱力學條件和定制化的擴散動力學路徑，即可通過該方法實現脆性相的塑性改造；3）工程價值大，制備工藝基于常規熱機械處理，且合金無貴重金屬添加，兼具高性能與經濟性，易向實際工程應用轉化。

這一研究成果的應用前景十分廣闊，所提出的通用化梯度界面工程策略，不僅為破解析出強化合金的強度-塑性權衡難題提供了全新方案，推動了復雜成分合金在航空發動機渦輪葉片、核反應堆部件等極端環境結構材料領域的應用，也為其他多相合金的界面設計與性能調控提供了重要借鑒，為下一代結構材料的研發奠定了理論與實驗基礎。

本研究得到了松山湖材料實驗室/中國科學院東莞材料科學與技術研究所張博研究員的悉心指導。松山湖材料實驗室/香港城市大學聯培博士生李郅鑫、中國科學院寧波材料技術與工程研究所李曉彤博士后為論文的共同第一作者，通訊作者為密歇根大學的范悅教授、中國科學院寧波材料技術與工程研究所管鵬飛研究員、松山湖材料實驗室/中國科學院東莞材料科學與技術研究所張博研究員、香港城市大學楊勇教授。本研究得到了多項基金項目的大力資助，包括：國家杰出青年科學基金項目（No. 52325104）、香港研究資助局通用研究基金項目（CityU 11201721、CityU 11202924、CityU 11207325）、國家科技重大專項（No. 2024ZD0606900）、國家自然科學基金項目（Nos. 52161160330、T2325004）。

原文鏈接：http://doi.org/10.1002/advs.202518465

本文來自松山湖材料實驗室。

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