氮掺杂等原子比VCoNi多组分合金的千兆帕级强韧化机制及热处理工艺优化研究

本研究针对高浓度氮掺杂对等原子比VCoNi多组分合金(MCAs)微观结构与力学性能的影响机制，通过系统调控退火工艺参数，揭示了V-N键优先结合诱导κ相析出、氮化物动态溶解的演变规律。研究发现1000?°C退火试样呈现~1.3?GPa超高强度与26%延伸率的优异协同，其机制源于氮原子引入的多重强化效应及局部化学有序(LCO)促进的平面位错滑移。该研究为多组分合金间隙原子强化机制与热处理工艺设计提供了重要理论依据。

　　

在先进结构材料领域，多组分合金(MCAs)因其独特的成分设计空间和优异的力学性能成为研究热点。然而，传统等原子比VCoNi合金虽具备良好的延展性，但强度往往难以突破千兆帕(GPa)量级，这严重限制了其在航空航天、核能等极端环境下的应用。与此同时，间隙原子(如C、N)强化作为提升合金强度的有效手段，其在高熵体系中的作用机制尚不明确，特别是氮元素与过渡金属的复杂相互作用及其对相变行为的影响亟待系统研究。

针对上述问题，Zhe Li和Kefu Gan团队在《Materials》发表了突破性研究成果。研究团队创新性地采用高浓度氮掺杂策略，通过精确控制退火温度(900-1000?°C)和时间参数，成功实现了VCoNi合金强度-塑性的协同提升。研究首次发现氮原子会优先与钒(V)形成V-N键，这种选择性结合不仅导致VN析出相的生成，还通过消耗基体中的V元素显著促进κ相的沉淀。随着退火温度升高至1000?°C，氮化物呈现动态溶解特征，这种独特的相演变行为为材料性能调控提供了新途径。

关键技术方法包括：(1)采用电弧熔炼制备等原子比VCoNi母合金；(2)通过高温氮化处理实现氮元素掺杂；(3)设计梯度退火实验(900-1000?°C)研究相变动力学；(4)结合X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)分析微观结构；(5)通过室温拉伸试验评估力学性能。

【微观结构演变】研究发现900?°C退火时，氮原子优先与V结合形成VN析出相，同时κ相(富Co/Ni有序相)体积分数显著增加至12.3%。当温度升至1000?°C，VN相开始溶解，κ相尺寸从50?nm增大至120?nm但体积分数降至8.7%，表明高温促进了元素再分配。

【力学性能突破】1000?°C退火试样展现出前所未有的力学性能组合：屈服强度(YS)达950?MPa，极限抗拉强度(UTS)高达1.3?GPa，同时保持26%的延伸率。这种"强韧共生"效应远超同类未掺杂合金(UTS<800?MPa)。

【强化机制解析】通过原子分辨率电镜观察到局部化学有序(LCO)区域，其尺寸为2-5?nm且富含V-N短程有序结构。这种LCO结构促进{111}面上的平面位错滑移，形成高密度位错阵列(>10¹⁵?m^-2)，既提高了强度又通过均匀应变分布延缓了颈缩。

该研究不仅阐明了氮掺杂对VCoNi合金相选择性的调控规律，更建立了"间隙原子-局部有序-位错运动"的跨尺度强化模型。特别值得注意的是，1000?°C退火工艺下获得的LCO结构具有自适应性：在变形过程中，这些纳米级有序区域既能阻碍位错运动产生强化，又能通过自身重构吸收应变能，这种动态平衡机制为设计新一代高强韧合金提供了全新思路。研究成果对开发航空发动机叶片、核反应堆结构件等关键部件材料具有重要指导价值。