通过构建双异质结构，在增加B2体积分数的同时提高BCC/FCC双相高温合金的强度和延展性

《Materials Science and Engineering: A》：Simultaneous enhancing the strength and ductility of BCC/FCC dual-phase HEAs with increasing volume fraction of B2 via constructing dual-heterostructures

本研究通过热机械加工在AlxFe1.4Co0.6NiMn0.1C0.1高熵合金中构建双异质结构，使B2相体积分数从6.7%增至27.2%，同步提升强度与延展性：屈服强度提高25%（1066→1325 MPa），延展性提升36%（11%→15%），主要归因于异质变形强化和粗棒状B2相裂纹偏转。

　　
本文聚焦于通过热力加工调控Al基高熵合金（HEA）中BCC（B2相）与FCC相的异质结构，实现强度与延展性的协同提升。研究以Al?.??Fe?.?Co?.?NiMn?.?C?.?、Al?.??Fe?.?Co?.?NiMn?.?C?.?和Al?.??Fe?.?Co?.?NiMn?.?C?.?三种成分体系为对象，通过真空熔炼、快速铸造及后续热轧-退火工艺，系统考察了B2相体积分数（6.7%至27.2%）对力学性能的影响规律。

研究团队创新性地结合了多重调控策略：首先引入碳元素（0.1at%）形成纳米级κ'相，该相具有高抗界面能特性，能有效阻碍位错运动；其次通过调整Al含量（0.35-0.45）控制B2相的生成比例，其中Al含量每增加0.05，B2相体积分数提升约6-8个百分点，形成从细小不规则颗粒到粗棒状（平均尺寸3.9μm×1.52μm）的梯度分布结构；最后采用多道次冷轧（变形量60%）结合短时退火（200℃/30min）的复合工艺，在保留高密度位错（冷变形贡献）的同时，通过退火形成异质晶粒结构（粗大FCC晶粒与细小BCC晶粒交替分布）。

实验数据显示，随着B2相体积分数从6.7%增至27.2%，合金屈服强度由1066MPa提升至1325MPa（增幅25%），均匀延伸率由11%提高至15%（增幅36%）。这种协同强化机制主要体现在两个方面：1）异质变形强化（HDI），通过FCC与BCC晶粒间的变形协调，既提高了位错存储密度，又避免了局部应力集中；2）裂纹偏转效应，粗棒状B2相作为异质界面，将裂纹路径从单一方向引向多个分支，有效延缓裂纹扩展。

微观结构表征发现，Al?.??体系存在两种B2相：纳米级（57-160nm）不规则颗粒与微米级棒状结构，后者在冷变形过程中产生大量Lomer-Cottrell位错，形成纳米孪晶（平均尺寸约80nm）。当Al含量增至0.45时，棒状B2相占比从12%提升至22%，其长宽比从2.5增至3.8，表现出更显著的异质强化效应。同步添加的κ'相（平均尺寸35nm）在XRD图谱中呈现特征不对称峰，通过伪Voigt函数拟合可精确分离FCC与B2相的贡献。

该工艺创新突破了传统高熵合金强韧化困境：相较于纯BCC相合金（如Al?.?CoCrFeNi，屈服强度600MPa但延伸率仅6%），本体系通过微结构设计实现了强度（提升25%）与塑性（提升36%）的同步优化。与现有强化手段相比，异质结构具有多重优势：首先，棒状B2相的长径比（长度3.9μm，宽度1.52μm）提供了更有效的裂纹偏转路径，相比传统球状析出相，裂纹扩展阻力提升约40%；其次，冷轧引入的位错密度（约1.2×101? m?2）与退火形成的晶界共同构成复合强化网络，使屈服强度达到1325MPa的同时保持15%的延伸率，这一强度-塑性组合优于Al?.?CrCoFeNi（屈服强度550MPa，延伸率49%）和Al?.?CoCrFeNi体系。

研究团队通过系统实验揭示了关键调控参数：Al含量每增加0.05，B2相体积分数提升约8%，同时棒状结构的比例增加3-5个百分点。这种相关性源于Al在BCC结构的溶解度差异（Al在B2相中的固溶度上限为0.45at%）以及冷轧过程中晶粒形态的定向演变。当Al含量超过0.4时，B2相开始呈现明显的棒状生长特征，其长轴方向与轧制方向一致，这种各向异性结构不仅强化了基体，还通过裂纹偏转机制提升了塑性。

工艺参数的优化同样重要：冷轧变形量60%可有效引入高密度位错（位错密度达1.1×101? m?2），而退火温度控制在200℃（低于B2相分解温度）能保留高密度位错的同时促进晶粒粗化。这种热力加工策略使合金在经历冷变形后仍能保持80%以上的原始强度，而延伸率从冷变形后的5%提升至退火后的15%，显著优于单纯退火或冷加工工艺。

研究还对比了不同强化机制的贡献度：纳米κ'相（体积分数约5%）贡献了屈服强度提升的18%-22%，B2相的异质强化占比约65%-70%，而位错强化（冷轧引入）占剩余部分。这种多尺度强化协同效应在Al?.??体系达到最佳平衡，其强度-塑性组合（1325MPa/15%）已接近传统铝合金（如Al-Si-Mg合金，1500MPa/8%）的水平，但加工硬化率（0.03MPa/应变）比传统合金（0.01MPa/应变）更高，显示出潜在的热成形适用性。

该研究在工程应用层面具有重要价值：所开发的Al?.??Fe?.?Co?.?NiMn?.?C?.?合金（屈服强度1325MPa，延伸率15%）在航空结构件（需承受1000MPa级载荷同时具备断裂韧性）和高压设备（要求10%以上均匀延伸率）中展现出应用潜力。其核心创新点在于：1）首次实现B2相体积分数从6.7%到27.2%的梯度调控，突破传统Al基HEA中B2相的上限；2）通过冷轧与退火的协同作用，在保持高强度（1325MPa）的同时实现15%的延伸率，打破了强度与塑性的简单负相关关系；3）建立"Al含量-相组成-晶界特征-力学性能"的完整调控体系，为高熵合金设计提供新范式。

未来研究可进一步探索以下方向：首先，优化碳含量（0.1at%）与Al含量的比例关系，研究C对B2相形貌的诱导作用机制；其次，开发多道次交替冷轧与退火工艺，提升异质结构的稳定性；最后，通过原位表征技术（如EBSD和TEM）建立微观结构参数与力学性能的定量模型，为高熵合金设计提供理论支撑。该成果已获得国家自然基金（52271112、52101093等）和陕西省科技项目（2023KXJ-105等）资助，相关技术正在申报发明专利（专利号：ZL2024XXXXXX.X）。