论文题目：Superb impact resistance of nano-precipitation-strengthened high-entropy alloys

期刊：Advanced Powder Materials

DOI：https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100277

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关键工程应用需要能承受高速冲击载荷的高性能结构材料，纳米相强化高熵合金因其高的强度和优异的加工硬化能力而被视为高速冲击应用的理想候选材料。本文中我们发现L1₂纳米相强化FCC型FeCoNiAlTi高熵合金在静态、动态载荷下均具有优异的屈服强度和出色抗冲击破坏能力。多尺度表征和分子动力学模拟表明，L1₂纳米相在冲击过程中不仅作为位错屏障和位错传输介质，还能作为能量吸收单元，使得合金具备优异的抗冲击性能，该发现为开发高性能耐冲击金属材料提供了参考。

01 研究背景

结构材料的高速率动态响应对于航空航天、国防、高速列车等应用至关重要。常规FCC高熵合金在高应变率下表现出优异的抗损伤容限性，但强度相对较低，这严重限制了其应用。引入共格弥散的L1₂纳米相阻碍位错运动并协调基体变形的同时，还可以作为弥散的能量吸收单元，有助于合金抗冲击损伤能力的提升，是实现优异强韧性组合的有效办法。本文基于粉末冶金方法制备了L1₂纳米相强化型FeCoNiAlTi高熵合金，该合金在高应变率下表现出较其它传统合金更高的强度和抗损伤性能，同时还揭示了共格纳米颗粒及基体在高速冲击过程中表现出良好性能的主要作用机制。

02 创新点

（1）通过引入L1₂共格纳米相显著增强了高熵合金动态力学性能。

（2）揭示了纳米相强化高熵合金动态变形过程中颗粒/基体/界面等的包括位错滑移、孪生、相变、非晶化以及纳米相无序化在内的多种变形机制。

03 文章概述

采用粉末冶金方法制备了FeCoNiAlTi合金，该合金主要由FCC基体和弥散的L1₂纳米颗粒组成，L1₂相为等轴形颗粒，平均粒径为~30 nm，HRTEM结果表明L12相与FCC基体完全共格，晶格失配非常小（见图1）。

图1 FeCoNiAlTi合金显微组织：（a）XRD图谱显示FCC+L1₂结构；（b-c）IPF、SEM和TEM图显示等轴晶粒内弥散分布着大量L1₂纳米相；（d）HRTEM图像显示L1₂纳米相与FCC基体完全共格。

由于共格L1₂相的作用，FeCoNiAlTi合金展现出优异的综合力学性能（见图2），准静态屈服强度达1090 MPa，是基体合金的近6倍；随着应变率提升至2400 s^-1，FeCoNiAlTi合金屈服强度增加到1350 MPa，且具有高的应变率敏感性，其冲击吸能性能显著优于IN718、316、FeCoCrNiMn等合金材料。从变形组织可以看出动态变形过程中激活了高密度的位错滑移、微带和L-C锁等变形机制，产生了显著的动态霍尔佩奇效应，弥散的L12纳米相不但能阻碍位错运动，通过位错剪切机制大幅提高合金强度，同时还能与基体协同变形来缓解应力集中，有助于保持合金的塑性。

图2 FeCoNiAlTi合金动态变形行为：（a）准静态压缩（10^-3 s^-1）和动态压缩（2400 s^-1）下的应力-应变曲线；（b）7AlTi合金与其它高性能材料的动态吸收应变能对比图；TEM显示动态变形组织中的（c）位错滑移、（d）微带、（e）纳米块、（f）L-C锁和（g-h）被SFs剪切的L1₂纳米相。

FeCoNiAlTi合金抗剪切破坏能力较IN718、316、FeCoCrNiMn等合金材料也有明显提升，达到∼4.6的临界剪切应变下才出现明显剪切带（图3）。不同于动态压缩变形时以位错滑移和微带等变形机制为主，高剪切速率变形还促进了孪生、相变和非晶化，L1₂纳米相的无序化转变也被激活，能有效提高合金应变率硬化能力并缓解应力集中。因此，高密度的L12纳米相不仅能作为位错屏障和位错传输介质，还能作为能量吸收岛耗散冲击应变能，从而使得合金具备优异的抗冲击性能。

图3 FeCoNiAlTi合金动态剪切行为及变形过程的分子动力学模拟：（a）动态剪切（9.6×105 s-1）下的剪切应力-应变曲线；（b）7AlTi合金与其它高性能材料的动态剪切性能对比图；TEM显示剪切带附近区域的（c）微带、（d）孪晶、（e-f）非晶带、（g-h）相转变和（i-j）L12纳米相无序化。

4 启示

通过引入高密度共格L12纳米相，FeCoNiAlTi型高熵合金可实现动态力学性能的显著提升，微带、孪生、相变、非晶化甚至L12纳米相无序化等复杂变形耦合机制可提供多种途径来耗散冲击应变能，从而赋予合金高的抗冲击性能，有望在航空航天、交通运输等承受高冲击载荷的领域实现应用。

引用信息：Ao Fu, Bin Liu, Zezhou Li, Tao Yang, YuanKui Cao, Junyang He, Bingfeng Wang, Jia Li, Qihong Fang, Xingwang Cheng, Marc A. Meyers, Yong Liu. Superb impact resistance of nano-precipitation-strengthened high-entropy alloys. Advanced Powder Materials, https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100277.

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原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X25000132