北航材料学院《Nature Materials》：构筑多尺度三维异质结构，实现高熵合金高抗冲击性与组织热稳定性

2026年6月5日，北京航空航天大学材料科学与工程学院赵士腾教授联合郭洪波教授、郑瑞晓教授在国际顶级学术期刊《Nature Materials》发表研究论文《High Impact Resistance in a High-Entropy Alloy with Thermally Stable Hierachical Heterostructures》。该研究通过构筑一种多尺度三维异质结构，在FeCoNiAlTi高熵合金中实现了冲击加载条件下2.2 GPa的高屈服强度与1100 MJ/m3的超高能量吸收密度，制备的多尺度微结构在1000 ℃长时保温过程中仍能保持优异的热稳定性。破解了长期以来面心立方高熵合金强度不足、组织热稳定性差的难题，为面向极端服役条件的材料设计提供了新的路径。

随着航空航天等领域的快速发展，重大装备关键金属材料的服役条件向高温、高压、高应变率等极端环境加速演化。传统金属材料受限于成分与结构，性能逼近物理极限，逐渐难以满足服役要求，亟须突破传统材料设计思路，开发新材料、新技术、新工艺，实现金属材料在极端服役环境下的高性能化。近年来，高熵合金因其优异的强塑性和加工硬化能力而备受关注，但其屈服强度较低，限制了其在高速冲击、高温承载等极端服役条件下的应用。通过引入超细晶、纳米析出相或构筑异质结构可显著提升强度，然而这类非均匀组织在高温或冲击加载产生的绝热温升下极易发生晶粒粗化，从而导致力学性能的显著退化。因此，如何在保持高强度的同时实现微结构的热稳定性，是先进金属结构材料在极端服役条件下面临的关键挑战。

创新微结构设计：

多尺度三维异质结构

研究团队以高熵合金粉末为原料，采用机械球磨与放电等离子烧结工艺，成功制备出连续三维超细晶壳层（平均晶粒尺寸~0.5 μm）包裹粗晶核心（~14.4 μm）的层级异质结构；在此基础上，时效处理在基体中引入了高密度共格L12纳米析出相（平均尺寸~46 nm，体积分数~60%）；此外，球磨过程中形成的纳米氧化物颗粒均匀分布于壳层细晶区域。从而创新研制了微观（粗晶核/超细晶壳）到纳米尺度（析出相与氧化物）的多尺度三维异质结构。

图1 多尺度三维异质结构高熵合金的制备流程示意图与微观结构表征

优异抗冲击性能：

高强度与高抗冲击性兼得

制备的多尺度三维异质结构合金具有优异的力学性能。尤其在高应变率冲击加载下（应变率~5×103 s-1），材料的屈服强度高达2.2 GPa，相比均质结构材料高出约700 MPa，能量吸收密度达到1100 MJ/m3。与目前公开报道的高性能合金（包括钢、钛合金、镍基合金、其他高熵合金等）相比，该合金在动态强度与能量吸收密度方面均具有显著优势。应变率敏感性分析表明，高应变率下激活体积显著降低，表明变形机制由长程障碍控制的位错滑移转向短程障碍主导的过程。

图2 多尺度三维异质结构高熵合金的力学性能与优异抗冲击性能

图3 高速冲击后多尺度三维异质结构高熵合金的微观结构

高组织热稳定性：

高温长时保温微结构不粗化

动态冲击产生的局部绝热温升极易诱发组织结构快速粗化，进而诱导材料力学性能的恶化。但本研究制备的多尺度三维异质结构合金展现出优异的热稳定性。实验表明，即使在1000 ℃长时保温后，粗晶核心与超细晶壳层的晶粒尺寸均未发生显著变化，相同成分的均质等轴晶合金在同等条件下晶粒长大69%。原位透射电镜加热实验进一步证实，壳层中的纳米氧化物颗粒通过Zener钉扎效应，结合高密度三叉晶界的几何约束，有效抑制了高温下的晶界迁移。同时，稳定的壳层网络也限制了核心晶粒的长大，从而实现了整体组织的热稳定性。高温维氏硬度测试表明，该合金高温力学性能优异，其在800℃时的硬度为室温硬度的78%，直到1000℃才出现明显软化。

图4 多尺度三维异质结构高熵合金的微观组织热稳定性与力学性能稳定性

图5 多尺度三维异质结构高熵合金的高温原位TEM表征与组织热稳定性机制

异质结构强化机制：

相变纳米化与异质界面协同强化

研究团队通过系统的透射电镜表征与高通量、高精度纳米压痕测试，揭示了合金在动态加载下的强化机制：

1、应变分配与背应力强化：在核-壳异质界面处，软/硬区域的应变不匹配导致几何必需位错在界面附近累积，产生长程背应力，显著增强了材料的加工硬化能力。纳米压痕显示，界面处硬化率高达0.32，远高于核心内部和壳层内部。

2、纳米限域马氏体相变与动态霍尔-佩奇效应：由于时效析出导致基体中Fe富集、Ni贫化，马氏体相变起始温度从-159.9 ℃大幅提升至217.6 ℃。在动态加载下，应力集中区域（尤其是界面附近）激发面心立方到α'-马氏体的固态相变。由于高密度L12纳米析出相的限域作用，形成的马氏体被限制在纳米尺度，产生动态霍尔-佩奇效应，显著提高强度。同时，马氏体相变带来的相变诱导塑性效应可吸收大量变形能，实现了高强度与高冲击性的协同。

图6 多尺度三维异质结构高熵合金的强化机制力学显微学解析

本工作得到了国家自然科学基金（12435016、52422101、52401030、U2541255）与浙江省自然科学基金（LD24E010005）的支持。北京航空航天大学材料科学与工程学院2024级博士生许国旺（指导教师：赵士腾）与李国栋助理研究员为文章的共同第一作者，赵士腾教授、郭洪波教授、郑瑞晓教授为共同通讯作者。北京航空航天大学马朝利教授、李岩教授、天目山实验室章程研究员、北京理工大学李泽洲教授也参与并指导本项研究。

本文来自：航小材。

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