鎢合金因具有高密度、高強高硬、抗輻照等一系列優(yōu)異性能，已成為國防、航空航天、核能等領(lǐng)域不可替代的關(guān)鍵材料。隨著這些高技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展和服役環(huán)境的復(fù)雜與極端化，對鎢合金的強韌塑性等性能提出越來越苛刻要求，突破材料固有的強度-塑性互斥（trade-off），發(fā)展強度2GPa量級同時兼具良好拉伸塑性的超高強鎢合金是當前亟待解決的挑戰(zhàn)性難題。

中國科學(xué)院力學(xué)所戴蘭宏研究團隊在前期的相關(guān)研究中，研發(fā)了一種具有剪切自銳（self-sharpening）特性的鎢高熵合金，首次在鑄態(tài)鎢合金中實現(xiàn)了自銳性的突破，使高速穿甲侵徹能力獲得顯著提高（Acta Mater, 2020, 186: 257-266）。近期，力學(xué)所戴蘭宏研究團隊聯(lián)合加州大學(xué)伯克利分校、北京航空航天大學(xué)、香港理工大學(xué)和香港城市大學(xué)，在超高強鎢高熵合金的研究中又取得了重要進展。研究人員提出了一種逐級可控有序納米沉淀強韌化的新策略，在高溫(900℃)和中溫(650℃)分級時效，成功實現(xiàn)了納米片層狀δ相和納米顆粒狀γ"相差異性可控的雙共格納米沉淀相析出(圖1-2)，使所制備鎢高熵合金材料具有2.15GPa的超高室溫強度和15%的拉伸塑性(圖3)。同時，該鎢高熵合金在800℃高溫環(huán)境下仍可保持1GPa以上的高屈服強度(圖4)。與已報道相關(guān)鎢合金和難熔高熵合金相比，所研制鎢高熵合金強塑性在國際上處于最優(yōu)水平。研究人員對不同拉伸變形階段的微觀結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)表征分析，揭示位錯滑移切過兩種共格沉淀相并保持完美的共格結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)材料晶體結(jié)構(gòu)“切過而不斷”，是該合金材料具有超高強塑性的主要原因。位錯切過δ片層沉淀后，片層出現(xiàn)了顯著的局部高應(yīng)變，同時保持了晶體結(jié)構(gòu)連續(xù)(圖5)，有效釋放由位錯塞積產(chǎn)生的應(yīng)力集中，避免了裂紋提前萌生誘致的脆性破壞。位錯切過共格γ"沉淀后，發(fā)生共格強化和有序強化，使材料強度進一步提高(圖6)。兩種不同形態(tài)納米沉淀相的協(xié)同強韌化，實現(xiàn)了該合金強度和塑性的同步提升。逐級可控的沉淀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了鎢高熵合金的超高強塑性，為高性能先進合金材料研發(fā)提供了新的思路。

該研究成果近期以“Ultra-strong tungsten refractory high entropy alloy via stepwise controllable coherent nanoprecipitations”為題發(fā)表在Nature Communications, 2023, 14, 3006，博士生李統(tǒng)為論文第一作者。該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金“無序合金的塑性流動與強韌化機理”重大項目、“非線性力學(xué)的多尺度問題”基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、中國科學(xué)院B類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等資助。

論文連接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38531-4

圖1. 逐級可控沉淀結(jié)構(gòu)演變。a-c為結(jié)構(gòu)演變示意圖，d和c為相應(yīng)階段EBSD結(jié)構(gòu)表征，f-i為相應(yīng)TEM結(jié)構(gòu)表征。

圖2. 差異性雙相共格沉淀與基體的晶體學(xué)關(guān)系及元素分布。a和b分別為δ和γ"沉淀球差矯正TEM結(jié)構(gòu)分析，c和d分別為δ和γ"沉淀元素分布3維原子探針(3D-APT)分析，e和f分別為相應(yīng)一維元素分布。

圖3. 室溫準靜態(tài)拉伸性能及與其他金屬對比

圖4. 高溫準靜態(tài)拉伸性能及與其他金屬對比

圖5. 位錯切過δ片層后晶格連續(xù)TEM結(jié)構(gòu)表征

圖6. 位錯切過γ"共格沉淀TEM結(jié)構(gòu)表征