近年來，高溫合金快速發(fā)展，不少新的合金體系被開發(fā)出來，以應(yīng)對(duì)高溫所帶來的軟化，但與高溫相對(duì)的還有一種極端環(huán)境——深冷環(huán)境（如液氫≈20 K、液氦≈4.2 K，外太空≈3K），在深冷環(huán)境中同樣會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)材料提出極高要求，維持高強(qiáng)度的同時(shí)還需要有足夠的塑性和穩(wěn)定性，以便長(zhǎng)期服役所需。然而傳統(tǒng)的如晶粒細(xì)化、位錯(cuò)累積、非相干析出相等強(qiáng)化機(jī)制往往會(huì)引入缺陷聚集，這些缺陷在深冷條件下易導(dǎo)致應(yīng)變集中和不連續(xù)塑性流動(dòng)（DPF），最終使材料在極低溫下快速失效。作為低溫合金，如何在低溫環(huán)境下同時(shí)獲得高的強(qiáng)塑性和穩(wěn)定性，是最為關(guān)鍵的性能指標(biāo)。

近日，韓國(guó)高麗大學(xué)Seok Su Sohn教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新型Co36Ni46Mo11Al7中熵合金，在液氦溫區(qū)（4.2K）下展現(xiàn)出高達(dá)2.1GPa的超高強(qiáng)度和50%的延展性，成功突破了低溫合金中強(qiáng)度與穩(wěn)定性的長(zhǎng)期矛盾。目前這一研究成果已于2025年8月27日在《Advanced Functional Materials》期刊上以題為“Ultrahigh Strength with Suppressed Flow Instability at Liquid Helium Temperature via Coherent Nanoprecipitation in a Medium-Entropy Alloy”的研究論文形式公開發(fā)表。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202515593

【核心內(nèi)容】

在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)通過提高晶格摩擦應(yīng)力和引入高體積分?jǐn)?shù)的相干L1₂納米析出相的策略，設(shè)計(jì)能夠在深冷條件下保持高強(qiáng)高塑的Co36Ni46Mo11Al7合金，通過力學(xué)表征，該合金在4.2K下實(shí)現(xiàn)了2.1GPa的超高強(qiáng)度和48%的延伸率，微觀結(jié)構(gòu)的表征分析證實(shí)了這樣優(yōu)異的性能組合來源于團(tuán)隊(duì)的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略不僅提供了強(qiáng)化，還促進(jìn)了Hirth鎖的形成，有效抑制了不連續(xù)塑性流動(dòng)（DPF）的發(fā)生，最終實(shí)現(xiàn)低溫條件時(shí)強(qiáng)塑的協(xié)同優(yōu)化。

【研究方法】

研究團(tuán)隊(duì)采用高純度元素在氧化鋯坩堝中進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉制備合金鑄錠，隨后經(jīng)過均勻化、冷軋、退火和時(shí)效等熱處理工藝，為了對(duì)比，按照相同的熔煉制備了具有FCC基體成分的合金，并對(duì)冷軋薄板在1273K和1323K下進(jìn)行退火，以獲得不同晶粒尺寸的FCC單相組織。

通過XRD分析確定了熱處理后的相演化，采用EBSD評(píng)估晶粒尺寸分布，通過FE-SEM分析析出相的形貌、分布和體積分?jǐn)?shù)，采用TEM和EDS對(duì)析出相的結(jié)構(gòu)和變形機(jī)理進(jìn)行了研究，使用APT對(duì)詳細(xì)化學(xué)成分進(jìn)行了表征。力學(xué)試驗(yàn)方面，試樣的冷卻采用液氮預(yù)冷+噴射液氦的方式，拉伸時(shí)應(yīng)變速率為10⁻³ s⁻¹并使用維氏顯微硬度計(jì)評(píng)估合金的硬度。

Co36Ni46Mo11Al7合金的顯微組織特征

【研究成果】

① 室溫與液氦溫度下的優(yōu)異力學(xué)性能

室溫下合金的屈服強(qiáng)度為1.06GPa，抗拉強(qiáng)度為1.48GPa，延伸率為44.7%，隨著溫度降低到4.2K時(shí)，合金的力學(xué)性能并未降低，反而有了不同程度的增強(qiáng)，屈服強(qiáng)度達(dá)到了1.39GPa，而抗拉強(qiáng)度更是提高了2.09GPa，延伸率也沒有降低，而是達(dá)到了50%左右。

合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及與其他低溫合金性能對(duì)比

② 深冷變形機(jī)制演化

在變形機(jī)制方面，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的溫度依賴性，即不同溫度下主導(dǎo)機(jī)制發(fā)生了一定的轉(zhuǎn)變，室溫下，合金的塑性變形主要依賴位錯(cuò)滑移及其交互作用，僅有少量納米孿晶的形成。而在液氦溫區(qū)，情況發(fā)生了變化，雖然位錯(cuò)滑移依然活躍，但產(chǎn)生了大量孿晶，這些孿晶成為強(qiáng)有力的障礙，增強(qiáng)了位錯(cuò)儲(chǔ)存能力和應(yīng)變硬化率，顯著提高了材料的強(qiáng)度和延展性，研究團(tuán)隊(duì)將這一現(xiàn)象稱為“動(dòng)態(tài)Hall–Petch效應(yīng)”。

不同溫度下的位錯(cuò)與孿晶演化機(jī)制

③ 抑制不連續(xù)塑性流動(dòng)（DPF）的新機(jī)制

液氦溫度下的DPF機(jī)理與位錯(cuò)-析出相相互作用

【總結(jié)與展望】

該研究證明了通過集成高晶格摩擦和相干L12納米析出相可以在4.2K下實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度和高延展性的優(yōu)異性能組合，這一成果不僅解決了低溫下強(qiáng)度與穩(wěn)定性的權(quán)衡問題，而且為未來深冷工程、航天結(jié)構(gòu)等極端環(huán)境應(yīng)用提供了全新的合金設(shè)計(jì)思路和理論依據(jù)。