电弧基直接能量沉积FeCoCrNiMnMo高熵合金中σ相析出调控实现强度-塑性协同提升

本研究针对高熵合金(HEA)强度-塑性倒置难题，通过电弧基直接能量沉积(DED)技术制备FeCoCrNiMnMo合金，创新性地调控σ相析出行为，实现了屈服强度提升至~850MPa的同时保持~25%延伸率。研究揭示了第二相尺寸/分布与力学性能的构效关系，为高性能HEA设计提供了新思路。

　　

在先进金属材料领域，高熵合金(High-entropy alloys, HEA)因其独特的成分设计和优异性能成为研究热点。传统HEA面临强度与塑性难以兼得的"跷跷板效应"——提高强度往往以牺牲塑性为代价，这严重制约了其在航空航天、能源装备等领域的工程应用。特别是对于FeCoCrNiMn系HEA，虽然具有出色的低温韧性和抗辐照性能，但室温强度普遍偏低。如何通过微观组织调控实现强度-塑性的协同提升，成为材料科学家亟待破解的关键科学问题。

中国科研团队创新性地选择Mo作为合金化元素，采用电弧基直接能量沉积(Direct energy deposition, DED)这一先进的增材制造技术，制备出FeCoCrNiMnMo高熵合金。研究发现，通过精确控制工艺参数，可在面心立方(FCC)基体中诱导产生纳米级σ相析出，这些硬质第二相能有效阻碍位错运动从而提高强度，同时其特定的空间分布又保持了材料的塑性变形能力。该研究为解决HEA强度-塑性倒置难题提供了新思路。

研究主要采用三种关键技术：电弧基直接能量沉积(DED)实现成分梯度材料的快速制备；透射电子显微镜(TEM)结合电子背散射衍射(EBSD)解析σ相的空间分布和晶体学特征；通过系统的热处理实验建立温度-时间-析出相的定量关系。特别值得注意的是，研究团队建立了包含200个试样的实验矩阵，涵盖从800°C到1200°C的宽范围热处理参数。

【微观组织演化】研究发现，在1050°C热处理时，合金中形成平均尺寸约50nm的球状σ相，这些析出相与FCC基体保持特定的晶体学取向关系：(111)_FCC∥(0001)_σ。高角度环形暗场(HAADF)成像显示Mo元素在σ相中富集浓度达25at.%，远高于基体中的7at.%。

【力学性能表征】经过优化的合金表现出优异的强塑性匹配：屈服强度850MPa，抗拉强度1.1GPa，延伸率25%。原位拉伸测试结合数字图像相关(DIC)技术证实，σ相能有效促进位错增殖和多系滑移，这是实现高强度下仍保持良好塑性的关键机制。

【变形机制解析】通过追踪拉伸过程中的位错演化，研究人员发现σ相周围形成独特的位错网络结构：<110>型全位错在σ相界面分解为部分位错，形成稳定的Lomer-Cottrell锁，这种结构既能阻碍位错运动提高强度，又允许位错通过交滑移继续运动维持塑性。

这项发表于《Scripta Materialia》的研究具有多重意义：首次阐明了DED制备HEA中σ相析出的调控规律；建立了"纳米析出相空间分布-位错运动-宏观力学性能"的定量关系；开发出屈服强度超过800MPa同时延伸率保持25%以上的新型HEA。该工作不仅为高性能HEA设计提供了理论指导，也展示了DED技术在成分复杂材料制备中的独特优势。正如Fissha Biruke Teshome等作者指出，这种通过精确控制第二相析出来协调强度与塑性的策略，可推广至其他合金体系，为开发新一代结构材料开辟了新途径。