金屬結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度-塑性倒置關(guān)系是制約其向高性能化發(fā)展的核心瓶頸。沉淀強(qiáng)化型合金是航空航天、能源等領(lǐng)域高端結(jié)構(gòu)件的核心材料，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等。傳統(tǒng)沉淀強(qiáng)化策略雖能通過引入納米沉淀相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來提升強(qiáng)度，但存在兩大問題：一是難以精準(zhǔn)控制沉淀相的尺寸、分布及體積分?jǐn)?shù)，易導(dǎo)致強(qiáng)化效果不均；二是沉淀相對再結(jié)晶行為的調(diào)控作用未被充分挖掘，無法通過多尺度微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)度-塑性”協(xié)同，極大限制了沉淀強(qiáng)化型合金在高端裝備領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

針對上述難題，南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院高性能亞穩(wěn)材料團(tuán)隊(duì)提出了一種通過納米沉淀相精準(zhǔn)調(diào)控異質(zhì)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新策略，成功在輕質(zhì)復(fù)雜成分合金中實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度與塑性的“雙贏”。相關(guān)研究成果以“Enhancing strength-ductility synergy in lightweight complex concentrated alloys via nano-precipitate tailored heterostructures”為題，發(fā)表于金屬材料領(lǐng)域頂刊Acta Materialia, 2025, 299: 121468。論文第一作者為唐頌副教授，通訊作者為蘭司教授、唐頌副教授、寇宗德講師，陳國平碩士和芮騰碩士（博士在讀）為共同第一作者，南京理工大學(xué)為唯一通訊單位。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金面上、青年等項(xiàng)目資助。

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121468

研究團(tuán)隊(duì)提出“納米沉淀相調(diào)控異質(zhì)結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)思路，通過“成分設(shè)計(jì)-工藝調(diào)控-微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化”的全鏈條創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了材料性能的突破。通過調(diào)控合金中沉淀相形成元素（本文即Al/Ti）含量，利用不同含量下沉淀相的尺寸、體積分?jǐn)?shù)差異及晶界/晶內(nèi)沉淀相的不同特性（晶界沉淀相尺寸大、體積分?jǐn)?shù)低，晶內(nèi)沉淀相尺寸小、體積分?jǐn)?shù)高），實(shí)現(xiàn)對再結(jié)晶行為的差異化調(diào)控，進(jìn)而獲得從全再結(jié)晶、雙峰異質(zhì)到未再結(jié)晶的多樣化微觀結(jié)構(gòu)（圖1）。

依據(jù)“沉淀相形成元素含量達(dá)臨界閾值時(shí)，晶界沉淀相促進(jìn)局部再結(jié)晶、晶內(nèi)沉淀相通過顆粒拖拽效應(yīng)阻礙晶界遷移”的核心邏輯，在AT8合金中精準(zhǔn)調(diào)控Al/Ti含量至臨界值，使其形成細(xì)晶再結(jié)晶區(qū)域與粗晶變形區(qū)域共存的雙峰異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度-塑性協(xié)同的關(guān)鍵。借助納米沉淀相既作為強(qiáng)化相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，又作為微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控劑構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)，最終讓異質(zhì)結(jié)構(gòu)通過異質(zhì)變形誘導(dǎo)強(qiáng)化與應(yīng)變硬化能力保留的協(xié)同作用，突破傳統(tǒng)強(qiáng)度-塑性權(quán)衡關(guān)系。本文提出的“納米沉淀相調(diào)控異質(zhì)結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)方法，可推廣至鎳基高溫合金、鋁合金、BCC鎂鋰合金等其他沉淀強(qiáng)化型合金，為解決“強(qiáng)度-塑性”權(quán)衡問題提供普適方案。

圖1. (a) 由沉淀相形成元素含量調(diào)控的、不同尺寸與體積分?jǐn)?shù)的析出相對再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)影響的示意圖；(b) 晶內(nèi)和晶界處沉淀相特征示意圖；(c-e) 不同沉淀相形成元素含量(對應(yīng)圖a)誘導(dǎo)完全再結(jié)晶、部分再結(jié)晶、未再結(jié)晶微觀組織的示意圖。

圖2. (a)-(c)所設(shè)計(jì)的 AT6、AT8、AT10 合金的計(jì)算相圖；(d) 退火溫度選擇原則的示意圖；(e) 基于計(jì)算相圖為三種實(shí)驗(yàn)合金設(shè)計(jì)的加工路線。

圖3. AT6-H、AT8-H和AT10-H合金的(a) 反極圖（IPF）、(b) 晶粒平均取向差（KAM）圖、(c) 極圖及(d)取向差分布圖。AT6-H呈現(xiàn)完全再結(jié)晶特征，AT8-H呈現(xiàn)部分再結(jié)晶（雙峰異構(gòu)）特征，AT10-H呈現(xiàn)變形態(tài)特征。

圖4. AT6-H、AT8-H和AT10-H合金中沉淀相(a) 明場相；(b) 暗場相; (c) 典型晶內(nèi)和晶界處沉淀相特征。隨著沉淀相形成元素(Al, Ti)含量增加，沉淀相尺寸減小、體積分?jǐn)?shù)增加（與同步輻射結(jié)果一致），且晶界處沉淀相尺寸顯著大于晶內(nèi)。

圖5. (a) 計(jì)算得到的異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）應(yīng)力與實(shí)測屈服強(qiáng)度（YS）的對比圖；(b) 本研究設(shè)計(jì)的復(fù)雜成分合金與現(xiàn)有復(fù)雜成分合金力學(xué)性能Ashby圖。本研究設(shè)計(jì)的AT-8 合金展現(xiàn)出 1580 MPa屈服強(qiáng)度、1645 MPa 抗拉強(qiáng)度及～20% 斷后伸長率的最優(yōu)性能，突破了傳統(tǒng)強(qiáng)度-塑性權(quán)衡關(guān)系。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持