共晶高熵合金往往具有多級的層片狀結構，其強度與片層厚度直接相關，傳統的凝固方式只能產生微米和亞微米級的層片結構，因而限制了其強度。納米片層結構可以很好地增強高熵合金的強度，但同時這種納米結構會限制材料的塑性和延展性。科學家們嘗試了許多方法來解決強度與塑性之間的矛盾，如薄膜沉積，嚴重塑性變形等方法。但是這些方法導致了強織構的納米結構，進而產生明顯的各向異性，限制了材料的應用場景。

馬薩諸塞大學阿默斯特分校的Wen Chen課題組和佐治亞理工學院的Ting Zhu課題組合作，創造性地將激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技術用于生產AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金，實現了雙相納米片層多級共晶結構，實現了屈服強度（1.3 GPa）與延伸率（14%）的同步提升，遠高于其他類似的增材制造合金，并且樣品具有很好的各向同性，適用于更多的工程應用場景。其中，作者利用中子衍射技術，深入研究了共晶的fcc相與bcc相之間的應力轉移現象，以及變形過程中兩相中位錯密度的變化規律。

▲論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41586-022-04914-8

LPBF制備納米片層共晶結構

作者利用激光粉末床熔融（LPBF）工藝制備了具有納米片層多級結構的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）表征顯示，雙相納米片層由交替的體心立方（bcc）和面心立方（fcc）納米層組成，厚度分別為λbcc = 64 ± 24 nm和λfcc = 151 ± 39  nm，相鄰片層之間的間距λ=215 nm。在fcc和bcc相之間確定了經典的Kurdjumov–Sachs取向關系，即{111}fcc||{110}bcc和<110>fcc||<111>bcc。

▲圖：增材制造共晶高熵合金納米片層共晶結構

a 增材制造打印樣品; b 光鏡圖像3D重構打印樣品; c EBSD結果 d 二次電子圖像形貌; e TEM明場圖像; f 片層厚度統計結果 g HAADF-STEM圖像; h ATP結果

納米片層多級結構實現強塑性

增材制造的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金具有優異的機械性能，3D打印態合金的屈服應力可以達到1333MPa，拉伸極限為1640MPa，均勻延伸率為14%，并且在高流動應力時具有更高的加工硬化率。經800?°C，1h的熱退火之后的樣品，均勻伸長率超過20%，屈服強度達到了1GPa；持續600?°C，5h的退火后樣品的屈服強度和極限抗拉強度增加到大約1.6?GPa和1.9?GPa，均勻延伸率則下降為7.5%。

這種高強度來自于納米尺度的片層結構，兩相之間的半相干界面對位錯的滑移施加了較強的約束，根據Hall-Petch關系，這種納米片層提供了約1?GPa的屈服強度，而且LPBF工藝也會引入更高的位錯密度，提升加工硬化能力。而高韌性來自于納米片層結構的bcc相的異常高應變硬化能力，其硬化能力甚至超過了片層的fcc相，這主要來源于fcc與bcc納米片層的半相干界面對位錯的阻礙和存儲能力。

▲圖：增材制造共晶高熵合金拉伸性能 a 打印態及退火態AM AlCoCrFeNi2.1拉伸曲線; b 屈服強度及均勻延展率對比

▲圖：fcc和bcc納米片層界面處位錯堆積 a-f TEM明場像; g-i HRTEM圖像; IFFT結果

中子能夠做什么？

▲圖：中子衍射反映fcc與bcc晶格應變演變

▲共晶高熵合金兩相中位錯密度分析

作者基于中子衍射技術，獲取了共晶高熵合金中的fcc和bcc兩相體積分數、晶格失配、晶格應變等重要的微觀參數信息，同時采用modified Williamson-Hall (mWH)方法分析全譜衍射峰的寬化以得到兩相分別的位錯密度，說明了兩相加工硬化能力的提升，為闡述超高強度-韌性背后的機理提供了支持。