激光粉末床熔融制备高强韧有序金属间化合物的突破性策略

本研究针对传统有序金属间合金(Intermetallic alloys)存在的脆性大、难加工等瓶颈问题，通过激光粉末床熔融(LPBF)技术开发出具有化学复杂性的有序金属间合金(CCIMA)。该材料展现出0.005%的超低孔隙率和无裂纹微观结构，同时实现1.6 GPa级超高强度和35%均匀延伸率的优异组合。研究发现其性能源于有序L12超晶格晶粒与无序界面纳米层(DINL)的独特结构设计，以及多重位错亚结构的动态演化。该成果为高性能金属间合金的开发提供了新范式，对航空航天等领域的结构材料应用具有重要意义。

　　

在材料科学领域，有序金属间合金因其独特的超晶格结构和优异的力学性能，长期以来被视为航空航天、能源装备等高端应用的理想候选材料。然而这类材料存在一个致命缺陷——室温脆性，就像精美的瓷器般难以承受塑性变形。更棘手的是，传统减材制造方法难以加工复杂构件，导致其实际应用长期受限。这种"强度与塑性不可兼得"的困境，成为困扰材料学家数十年的科学难题。

北京工业大学等机构的研究人员另辟蹊径，通过激光粉末床熔融(LPBF)这一革命性增材制造技术，成功开发出具有化学复杂性的有序金属间合金(CCIMA)。该材料不仅展现出卓越的打印性能，更突破了传统金属间合金的强度-塑性权衡极限，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究团队采用多尺度表征与计算模拟相结合的方法：通过微焦点计算机断层扫描(micro-CT)定量分析打印缺陷；运用三维原子探针断层扫描(3D-APT)和像差校正扫描透射电镜(AC-STEM)解析原子尺度元素分布；结合密度泛函理论(DFT)计算预测层错能；采用电子背散射衍射(EBSD)原位追踪几何必须位错(GND)演化。

【打印性能与力学性能】

研究显示，CCIMA在900 mm/s激光扫描速度下仅产生0.005%孔隙率，且能精确打印复杂晶格结构。热处理后材料抗拉强度达1620±30 MPa，同时保持35±3%的均匀延伸率，性能远超传统增材制造合金。

【微观结构特征】

XRD和TEM证实材料由L1₂型有序晶粒组成，晶界处存在5 nm厚的无序FCC界面层(DINL)。3D-APT发现Co和B元素在DINL协同偏聚，浓度分别达50.64±1.23 at.%和0.85±0.22 at.%，显著高于晶内水平。

【变形机制】

EBSD显示变形过程中几何必须位错(GND)在晶界处富集但未引发裂纹。TEM观察到独特的变形亚结构演化：5%应变时出现反相界(APB)耦合超晶格位错；15%应变形成超晶格堆垛层错(SISF)；35%应变时层错网络相交形成Lomer-Cottrell锁。DFT计算证实APB型解离占主导(γ_APB⁽¹¹¹⁾=301 mJ/m²，γ_SISF⁽¹¹¹⁾=200 mJ/m²)。

这项研究开创性地通过界面无序化设计解决了金属间合金的本征脆性问题。DINL结构既能通过Co偏聚降低有序能，又借助B偏聚增强晶界结合力，实现了"刚柔并济"的界面设计。超晶格结构内Kear-Wilsdorf锁和Lomer-Cottrell锁的协同作用，赋予材料前所未有的加工硬化能力。该工作不仅为高性能金属间合金开发提供了新思路，更展示了增材制造技术在新型结构材料研发中的巨大潜力，对推动高端装备的轻量化设计具有重要战略意义。