协同双相沉淀策略优化面心立方高熵合金的强塑性平衡

推荐：本研究针对FCC高熵合金(HEAs)强度不足的瓶颈问题，通过设计Co-Cr-Fe-Ni-Ti体系，创新性提出γ'/η双相协同强化策略。通过调控Ti含量(3.61-6.98 at.%)和时效工艺(650-800°C)，实现纳米级L12-γ'相颗粒与层状η相的协同析出，使S-Ti0.15合金获得1 GPa级抗拉强度与45%延伸率的优异组合，其中沉淀强化贡献超80%强度增益，为高性能结构材料设计提供新范式。

　　

在材料科学领域，面心立方(FCC)结构高熵合金(HEAs)因其卓越的低温韧性和延展性备受关注，但其强度往往难以满足工程应用需求。传统单一强化策略如固溶强化或晶界强化，常面临"强度-塑性倒置"困境。更棘手的是，通过增加Al、Ti等γ'相形成元素虽可提升强度，却易引发η相等有害相变，导致材料脆化。这种"鱼与熊掌不可兼得"的材料特性矛盾，严重制约了高熵合金在航空航天等高端领域的应用。

晋中大学材料科学与工程学院的研究团队独辟蹊径，提出"双相协同沉淀强化"的创新思路。他们以Co-Cr-Fe-Ni-Ti体系为研究对象，通过精确调控Ti含量(0-6.98 at.%)和时效工艺，成功实现纳米级γ'相与层状η相的协同析出。这项突破性研究发表在《Journal of Materials Research and Technology》上，首次证实适度η相可辅助γ'相实现80%以上的强度贡献，为破解高熵合金强塑性平衡难题提供全新解决方案。

研究团队采用多尺度表征与力学性能测试相结合的方法：通过真空电弧熔炼制备不同Ti含量的合金铸锭；采用70%-85%冷轧变形结合1200°C再结晶退火获得细晶组织；利用650°C/70h和800°C/5h两种时效制度调控析出相；借助XRD、SEM、TEM和EBSD分析微观结构；通过室温拉伸试验评价力学性能。

【微观结构分析】

XRD证实所有合金经退火后均为单相FCC结构，Ti的添加引起晶格畸变。EBSD显示70%冷轧的S-Ti0.15合金平均晶粒尺寸为65μm，Σ3孪晶界占比达49.4%，而85%冷轧的Q-Ti0.15合金晶粒更细小均匀。时效处理后，TEM揭示γ'相(平均尺寸8-15nm)与基体完全共格，η相呈平行排列的片层结构(宽度10-150nm)，EDS证实二者均为(Ni,Co)₃Ti化学组成。

【力学性能】

S-Ti0.15合金(3.61 at.% Ti)展现出最佳综合性能：抗拉强度1063 MPa，屈服强度586 MPa，延伸率45%，强塑积达47,000 MPa%。相比之下，高Ti含量的S-Ti0.3合金虽强度提升至1250 MPa，但延伸率骤降至25%。断口分析表明，适量η相(3.19%)导致穿晶断裂，而过量η相(7.52%)引发沿晶断裂，证实η相含量与塑性呈负相关。

【强化机制】

通过Hall-Petch公式和剪切模型定量分析表明：γ'相通过共格强化(Δσ_coh=83-240 MPa)、模量强化和有序强化共同作用，贡献63-75%强度增量；η相通过钉扎晶界产生11-26%附加强化。理论计算与实验值误差<5%，证实双相协同强化模型的可靠性。

这项研究颠覆了传统认知中η相必然损害塑性的观点，首次阐明适度η相(2-4%)可通过协同γ'相实现"1+1>2"的强化效果。其创新价值在于：①建立成分-工艺-组织-性能的定量关系，为高熵合金设计提供理论框架；②开发出强度超1 GPa且延伸率>40%的S-Ti0.15合金，性能指标达国际领先水平；③提出的双相协同强化策略可推广至其他合金体系，具有重要工程应用前景。该成果为发展新一代高性能结构材料开辟了新途径。