北航材料學院《Nature Materials》：構筑多尺度三維異質結構，實現高熵合金高抗沖擊性與組織熱穩定性

2026年6月5日，北京航空航天大學材料科學與工程學院趙士騰教授聯合郭洪波教授、鄭瑞曉教授在國際頂級學術期刊《Nature Materials》發表研究論文《High Impact Resistance in a High-Entropy Alloy with Thermally Stable Hierachical Heterostructures》。該研究通過構筑一種多尺度三維異質結構，在FeCoNiAlTi高熵合金中實現了沖擊加載條件下2.2 GPa的高屈服強度與1100 MJ/m3的超高能量吸收密度，制備的多尺度微結構在1000 ℃長時保溫過程中仍能保持優異的熱穩定性。破解了長期以來面心立方高熵合金強度不足、組織熱穩定性差的難題，為面向極端服役條件的材料設計提供了新的路徑。

隨著航空航天等領域的快速發展，重大裝備關鍵金屬材料的服役條件向高溫、高壓、高應變率等極端環境加速演化。傳統金屬材料受限于成分與結構，性能逼近物理極限，逐漸難以滿足服役要求，亟須突破傳統材料設計思路，開發新材料、新技術、新工藝，實現金屬材料在極端服役環境下的高性能化。近年來，高熵合金因其優異的強塑性和加工硬化能力而備受關注，但其屈服強度較低，限制了其在高速沖擊、高溫承載等極端服役條件下的應用。通過引入超細晶、納米析出相或構筑異質結構可顯著提升強度，然而這類非均勻組織在高溫或沖擊加載產生的絕熱溫升下極易發生晶粒粗化，從而導致力學性能的顯著退化。因此，如何在保持高強度的同時實現微結構的熱穩定性，是先進金屬結構材料在極端服役條件下面臨的關鍵挑戰。

創新微結構設計：

多尺度三維異質結構

研究團隊以高熵合金粉末為原料，采用機械球磨與放電等離子燒結工藝，成功制備出連續三維超細晶殼層（平均晶粒尺寸~0.5 μm）包裹粗晶核心（~14.4 μm）的層級異質結構；在此基礎上，時效處理在基體中引入了高密度共格L12納米析出相（平均尺寸~46 nm，體積分數~60%）；此外，球磨過程中形成的納米氧化物顆粒均勻分布于殼層細晶區域。從而創新研制了微觀（粗晶核/超細晶殼）到納米尺度（析出相與氧化物）的多尺度三維異質結構。

圖1 多尺度三維異質結構高熵合金的制備流程示意圖與微觀結構表征

優異抗沖擊性能：

高強度與高抗沖擊性兼得

制備的多尺度三維異質結構合金具有優異的力學性能。尤其在高應變率沖擊加載下（應變率~5×103 s-1），材料的屈服強度高達2.2 GPa，相比均質結構材料高出約700 MPa，能量吸收密度達到1100 MJ/m3。與目前公開報道的高性能合金（包括鋼、鈦合金、鎳基合金、其他高熵合金等）相比，該合金在動態強度與能量吸收密度方面均具有顯著優勢。應變率敏感性分析表明，高應變率下激活體積顯著降低，表明變形機制由長程障礙控制的位錯滑移轉向短程障礙主導的過程。

圖2 多尺度三維異質結構高熵合金的力學性能與優異抗沖擊性能

圖3 高速沖擊后多尺度三維異質結構高熵合金的微觀結構

高組織熱穩定性：

高溫長時保溫微結構不粗化

動態沖擊產生的局部絕熱溫升極易誘發組織結構快速粗化，進而誘導材料力學性能的惡化。但本研究制備的多尺度三維異質結構合金展現出優異的熱穩定性。實驗表明，即使在1000 ℃長時保溫后，粗晶核心與超細晶殼層的晶粒尺寸均未發生顯著變化，相同成分的均質等軸晶合金在同等條件下晶粒長大69%。原位透射電鏡加熱實驗進一步證實，殼層中的納米氧化物顆粒通過Zener釘扎效應，結合高密度三叉晶界的幾何約束，有效抑制了高溫下的晶界遷移。同時，穩定的殼層網絡也限制了核心晶粒的長大，從而實現了整體組織的熱穩定性。高溫維氏硬度測試表明，該合金高溫力學性能優異，其在800℃時的硬度為室溫硬度的78%，直到1000℃才出現明顯軟化。

圖4 多尺度三維異質結構高熵合金的微觀組織熱穩定性與力學性能穩定性

圖5 多尺度三維異質結構高熵合金的高溫原位TEM表征與組織熱穩定性機制

異質結構強化機制：

相變納米化與異質界面協同強化

研究團隊通過系統的透射電鏡表征與高通量、高精度納米壓痕測試，揭示了合金在動態加載下的強化機制：

1、應變分配與背應力強化：在核-殼異質界面處，軟/硬區域的應變不匹配導致幾何必需位錯在界面附近累積，產生長程背應力，顯著增強了材料的加工硬化能力。納米壓痕顯示，界面處硬化率高達0.32，遠高于核心內部和殼層內部。

2、納米限域馬氏體相變與動態霍爾-佩奇效應：由于時效析出導致基體中Fe富集、Ni貧化，馬氏體相變起始溫度從-159.9 ℃大幅提升至217.6 ℃。在動態加載下，應力集中區域（尤其是界面附近）激發面心立方到α'-馬氏體的固態相變。由于高密度L12納米析出相的限域作用，形成的馬氏體被限制在納米尺度，產生動態霍爾-佩奇效應，顯著提高強度。同時，馬氏體相變帶來的相變誘導塑性效應可吸收大量變形能，實現了高強度與高沖擊性的協同。

圖6 多尺度三維異質結構高熵合金的強化機制力學顯微學解析

本工作得到了國家自然科學基金（12435016、52422101、52401030、U2541255）與浙江省自然科學基金（LD24E010005）的支持。北京航空航天大學材料科學與工程學院2024級博士生許國旺（指導教師：趙士騰）與李國棟助理研究員為文章的共同第一作者，趙士騰教授、郭洪波教授、鄭瑞曉教授為共同通訊作者。北京航空航天大學馬朝利教授、李巖教授、天目山實驗室章程研究員、北京理工大學李澤洲教授也參與并指導本項研究。

本文來自：航小材。

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