導讀：開發強度和延展性相結合的結構材料是先進工業的一項重要任務。傳統的金屬間合金（IMA）通常延展性不足，這嚴重限制了它們的實際應用。在這項研究中，我們在多組分(Ni，Co)₃(Si，Ti，Al)體系中開發了一種新型的高性能塊狀化學復合金屬間合金（CCIMA）。通過三維原子探針斷層掃描（3D-APT）和透射電子顯微鏡（TEM）等組合分析，系統研究了微觀結構、力學性能和相關變形行為。通過多步冷軋和退火路徑，新開發的(Ni，Co)₃(Si，Ti，Al)型合金顯示出獨特的分層雙相納米結構，在環境溫度下表現出非凡的強度和延展性。屈服強度、抗拉強度和延展性分別可達~1011MPa、~1690MPa和35%。詳細的TEM和3D-APT分析表明，相干的富鈷無序納米粒子從L12基質區域沉淀出來。這些反向沉淀的納米粒子主要被超晶格位錯對剪切，并產生顯著的強化效果。由于層錯能量的降低和達到臨界值的高應力水平，在大變形下也觀察到了超晶格層錯（SSFs）。這些發現有望加速用于結構應用的超強但延展性金屬間化合物的創新設計。

金屬間合金（IMAs）具有獨特的長程有序晶體結構和先進的力學性能，在現代結構材料領域備受關注。然而，傳統IMAs通常延展性不足，嚴重限制了其實際應用。此外，以往研究大多局限于化學簡單體系，難以進一步優化材料性能。受多主元合金設計概念啟發，化學復雜金屬間合金（CCIMAs）的概念應運而生，為解決上述問題提供了新途徑。

香港城市大學、廈門大學、遼寧材料科學院等多單位的團隊開發了一種新型高性能塊狀化學復雜金屬間合金（CCIMAs），屬于多組分(Ni，Co)₃(Si，Ti，Al)體系。通過三維原子探針斷層掃描（3D-APT）和透射電子顯微鏡（TEM）等組合分析方法，系統研究了其微觀結構、力學性能及相關變形行為。

研究成果顯示，經過多步冷軋和退火處理，新開發的(Ni，Co)₃(Si，Ti，Al)型合金呈現出獨特的分層雙相納米結構，在室溫下展現出卓越的強度和延展性。其中，Al(Ti)合金表現尤為突出，屈服強度約為1011MPa，抗拉強度約為1690MPa，延展性可達35%。TEM和3D-APT詳細分析表明，富Co的無序納米顆粒從L12基體區域析出，主要被超晶格位錯對剪切，產生顯著的強化效果。在大變形時，由于堆垛層錯能降低和應力達到臨界值，還觀察到超晶格堆垛層錯（SSFs）。

不同Si和Ti含量會因吉布斯自由能變化顯著影響合金的相結構，Ti元素更易促進L12有序化。Al(Ti)合金沿晶界形成的fcc型無序納米層與Al(Si)合金晶界附近的不均勻無序fcc形成對比，前者能有效消除晶間斷裂。在變形早期，超晶格位錯對剪切fcc納米顆粒是L12基體區域的主要變形模式，fcc納米顆粒的反向析出也有顯著硬化作用，提高了屈服強度。而在變形后期，由于Al(Ti)合金自身堆垛層錯能低且強度極高，SSFs被激活，這種變形結構提高了合金的加工硬化響應和延展性。

相關研究成果以“Extraordinary strength-ductility synergy in chemically complex intermetallic alloys with hierarchical dual-phase nanostructures”發表在Acta Materialia上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645425003738?via%3Dihub

圖1 （a）新設計的CCIMA在環境溫度下測試的工程拉伸曲線。

（b）分別顯示Al（Si）和Al（Ti）合金的斷口特征的SEM圖像

圖2 （a）和（b）分別是Al（Ti）和Al（Si）合金的EBSD圖像。

（c）Al（Ti）和Al（Si）合金的X射線衍射圖。

（d）和（e）Al（Ti）和Al（Si）合金的高倍SEM圖像。

（f）Al（Ti）和Al（Si）合金的相含量。

圖3 （a）DF-TEM圖像，顯示了Al（Ti）合金微觀結構的概覽，其SAED圖案在右側。

（b）Al（Ti）合金中fcc基體區域的STEM-BF圖像和相應的EDX元素映射。

（c）HRTEM圖像顯示了Al（Ti）合金L1₂基體區域內的fcc納米沉淀物，其右側顯示了相應的FFT圖案。

圖4 （a）DF-TEM圖像，顯示了Al（Si）合金微觀結構的概覽，其SAED圖案在右側（b）STEM-BF圖像和Al（硅）合金中fcc基體區域的相應EDX元素映射。

（c）HRTEM圖像顯示了Al（Si）合金L1₂基質區域內的fcc納米沉淀物，FFT圖案顯示在其右側。

圖5 （a）從Al（Ti）合金中的fcc基質區域沉淀出的有序L1₂納米粒子的原子圖（左）和相應的鄰近直方圖（右）。

（b）從Al（Ti）合金中的L1₂基質區域沉淀出的無序fcc納米顆粒的原子圖（左）和相應的鄰近直方圖（右）。

（c）通過杠桿法則計算的這兩種納米沉淀物的體積分數。

（d）和（e）分別為L1₂和fcc納米沉淀物的統計沉淀物直徑的直方圖。

圖6 （a）從Al（Si）合金中的fcc基質區域沉淀出的有序L1₂納米粒子的原子圖（左）和相應的鄰近直方圖（右）。

（b）從Al（Si）合金中的L1₂基質區域沉淀出的無序fcc納米顆粒的原子圖（左）和相應的鄰近直方圖（右）。

（c）通過杠桿法則計算的這兩種納米沉淀物的體積分數。

（d）和（e）分別為L1₂和fcc納米沉淀物的統計沉淀物直徑的直方圖。

表1 Al（Ti）和Al（Si）合金中不同相的化學成分（at.%）。

圖7 （a）Al（Ti）和Al（Si）合金中fcc和L1₂相的吉布斯自由能的溫度依賴性。

（b）Al（Ti）和Al（Si）合金中fcc相和L1₂相之間的Δ_G。

圖8 （a）HAADF和Al（Ti）合金中晶界結構的相應EDX映射。

（b）-（d）STEM-HRTEM圖像和相應的FFT圖像，顯示了在相鄰L1₂晶粒之間的晶界處均勻裝飾的無序納米層。

圖9 （a）HAADF和Al（Si）合金中晶界結構的相應EDX映射。

（b）-（d）STEM-HRTEM圖像和相應的FFT圖像，顯示了Al（Si）中相鄰L1₂晶粒之間的晶界處的無序納米層。

圖10 （a）DF TEM圖像顯示了Al（Ti）合金在~5%變形后的總體微觀結構。

（b）顯示具有清晰APB的L1₂顆粒的放大DF TEM圖像和（c）顯示由超位錯對共享的fcc顆粒的放大亮場（BF）TEM圖像。

（d）APD的HRTEM圖像，顯示超晶格位錯對之間的無序區。它們的FFT模式顯示在右側。

圖11 （a）和（b）BF和DF TEM圖像，顯示了拉伸斷裂后Al（Ti）合金的SSF結構。

（c）HRTEM圖像給出了SF和相應FFT模式的典型示例。

（d）說明在變形樣品中發現的SF的特征。

本文通過開發新型(Ni，Co)₃(Si，Ti，Al)型化學復雜金屬間合金（CCIMAs），并對其進行多方面研究，得到一系列成果，展示出該合金在性能、微觀結構及變形機制等方面的特性，為金屬間合金的發展提供了重要參考：

（1）新開發的(Ni，Co)₃(Si，Ti，Al)型合金經多步冷軋和退火后，呈現獨特的分層雙相納米結構，室溫下強度和延展性優異。如Al(Ti)合金，屈服強度約1011MPa，抗拉強度約1690MPa，延展性達35%。

（2）在(Ni，Co)₃(Si，Ti，Al)合金體系中，Si和Ti含量不同會因吉布斯自由能變化顯著影響合金相結構。Ti元素的有序化能量較高，更易促進L1₂有序化。

（3）Al(Ti)合金沿晶界形成fcc型無序納米層，而Al(Si)合金晶界附近形成不均勻的無序fcc結構。Al(Ti)合金這種完整覆蓋晶界的無序fcc納米層能有效消除晶間斷裂。

（4）變形早期，L1₂基體區域的主要變形模式是超晶格位錯對剪切fcc納米顆粒，且fcc納米顆粒的反向析出有顯著硬化作用，提高了屈服強度。后期，由于Al(Ti)合金自身堆垛層錯能低且強度高，在變形時觀察到超晶格堆垛層錯（SSFs）。{111}平面上的交叉SSFs被激活，這種變形結構提高了合金的加工硬化響應和延展性。