北京理工大學材料學院程興旺、馬兆龍課題組近日在難熔高熵合金研究中取得重要進展。2025年6月，相關研究成果以“Achieving synergistic strength-ductility in a novel refractory high-entropy alloy from room to high temperatures through nano-silicide precipitation-mediated dislocation dynamics”為題在國際知名期刊《International Journal of Plasticity》上發表。博士生李海洋為第一作者，北京理工大學材料學院馬兆龍教授，程興旺教授為論文共同通訊作者，北京理工大學為第一單位。

難熔高熵合金（RHEAs）因其優異的高溫力學性能，被視為極具潛力的高溫結構材料。然而，其在極端環境下的應用面臨室溫延展性、高溫強度保持及微觀結構穩定性的關鍵挑戰。

為應對這一難題，課題組研發了一種新型非等摩爾、低密度（V₃₀Nb₄₀Ti₂₀Ta₁₀）₉₉Si₁難熔高熵合金（密度7.91 g/cm³），通過納米硅化物析出工程和位錯動態優化，實現了室溫變形能力與高溫性能的卓越協同。該合金在室溫下展現出優異的強塑性匹配（屈服強度958 MPa，斷裂應變33.1%，均勻拉伸延伸率15.7%），得益于納米硅化物介導的交叉滑移、多平面滑移及層級位錯亞結構的演化。在1000°C高溫下，合金保持258 MPa屈服強度和76%延伸率，超越傳統鍛造高溫合金。多尺度分析表明，沉淀強化與動態再結晶（DRX）驅動的微觀結構演化協同作用，使合金在苛刻熱機械環境中維持機械完整性。長期熱暴露實驗（1000°C，120小時）證實，其微觀結構穩定性極高，強度保持率超過99%。這種強韌性平衡與高穩定性使該合金在眾多RHEAs中脫穎而出。

為探究納米硅化物對強塑性的協同增益，研究對比了單相合金（Si0-H-R-A）與納米硅化物強化合金（Si1-H-R-A）的微觀結構與力學性能（圖1、圖2）。通過圖2中對斷后組織的GND分析，納米硅化物顯著阻礙位錯運動，顯著提升Si1-H-R-A的加工硬化能力。

為系統揭示位錯介導的強化機制及Si1-H-R-A強塑性協同的微觀起源，研究通過TEM分析了不同應變下Si1-H-R-A的位錯亞結構。如圖3所示，Si1-H-R-A展現交叉滑移與多平面滑移特性，納米硅化物促進位錯增殖，并在變形后期形成典型位錯胞結構，納米硅化物附近生成高位錯密度的偶極子墻。

為進一步評估Si1-H-R-A在1000°C下的力學性能與組織穩定性，開展了高溫拉伸測試及1000°C、120小時熱暴露實驗。如圖4所示，合金在1000°C下保持258 MPa屈服強度和76%延伸率。圖5顯示，Si1-H-R-A具有優異熱穩定性，經120小時熱處理后，室溫強度幾乎不變，斷后延伸率接近30%；1000°C下屈服強度約270 MPa，斷后延伸率約71.3%。

圖6對比了Si1-H-R-A與已報道的高熵合金、鎳基合金及鈮基合金在室溫和1000°C的力學性能。相較其他RHEAs，Si1-H-R-A展現出高室溫屈服強度（約958 MPa）、優異斷后延伸率（約33.1%）及均勻延伸率（約15.7%）的協同優勢。其卓越性能源于多尺度微觀結構設計：一是高熵基體增強缺陷容忍性；二是硅合金化帶來的固溶強化；三是納米硅化物介導的Orowan強化及位錯存儲能力提升。在1000°C下，Si1-H-R-A屈服強度約258 MPa，比強度約32.5 MPa·g?¹·cm³，超越Inconel 718等高溫合金。其優異性能源于協同高溫強化機制：高熔點基體、高熵合金固有的緩慢擴散動力學及熱穩定納米硅化物。

綜上所述，程興旺、馬兆龍課題組研發的納米硅化物強化（V₃₀Nb₄₀Ti₂₀Ta₁₀）₉₉Si₁難熔高熵合金，展現出卓越的室溫強塑性、高溫強度及熱穩定性協同。本研究為先進RHEAs設計提供了新框架，突破了室溫延展性與高溫性能的平衡難題，為航空航天及渦輪應用開辟了廣闊前景。

圖1 Si0-H-R-A 和 Si1-H-R-A 的微觀結構

圖2 Si0-H-R-A和Si1-H-R-A室溫力學性能和斷裂后微觀結構的對比分析

圖3 Si1-H-R-A在不同應變下的位錯亞結構分析

圖4 Si1-H-R-A在1000°C下的力學性能和斷后微觀結構

圖5 （a, b）Si0-H-R和Si1-H-R在不同退火時間下的室溫拉伸曲線；（c）Si1-H-R在1000°C下退火24 h和120 h后在1000°C下的拉伸曲線

圖6 Si1-H-R-A 與其他先進高熵合金、鎳基合金和鈮基合金的室溫和1000°C力學性能比較。（a）25°C時的拉伸伸長率與25°C時的屈服強度；（b）25°C時的均勻拉伸伸長率與 25°C 時的屈服強度；（c）25°C時的拉伸伸長率與1000°C時的屈服強度；（d）25°C時的拉伸伸長率與1000°C下的比屈服強度