导读：开发强度和延展性相结合的结构材料是先进工业的一项重要任务。传统的金属间合金（IMA）通常延展性不足，这严重限制了它们的实际应用。在这项研究中，我们在多组分(Ni，Co)₃(Si，Ti，Al)体系中开发了一种新型的高性能块状化学复合金属间合金（CCIMA）。通过三维原子探针断层扫描（3D-APT）和透射电子显微镜（TEM）等组合分析，系统研究了微观结构、力学性能和相关变形行为。通过多步冷轧和退火路径，新开发的(Ni，Co)₃(Si，Ti，Al)型合金显示出独特的分层双相纳米结构，在环境温度下表现出非凡的强度和延展性。屈服强度、抗拉强度和延展性分别可达~1011MPa、~1690MPa和35%。详细的TEM和3D-APT分析表明，相干的富钴无序纳米粒子从L12基质区域沉淀出来。这些反向沉淀的纳米粒子主要被超晶格位错对剪切，并产生显著的强化效果。由于层错能量的降低和达到临界值的高应力水平，在大变形下也观察到了超晶格层错（SSFs）。这些发现有望加速用于结构应用的超强但延展性金属间化合物的创新设计。

金属间合金（IMAs）具有独特的长程有序晶体结构和先进的力学性能，在现代结构材料领域备受关注。然而，传统IMAs通常延展性不足，严重限制了其实际应用。此外，以往研究大多局限于化学简单体系，难以进一步优化材料性能。受多主元合金设计概念启发，化学复杂金属间合金（CCIMAs）的概念应运而生，为解决上述问题提供了新途径。

香港城市大学、厦门大学、辽宁材料科学院等多单位的团队开发了一种新型高性能块状化学复杂金属间合金（CCIMAs），属于多组分(Ni，Co)₃(Si，Ti，Al)体系。通过三维原子探针断层扫描（3D-APT）和透射电子显微镜（TEM）等组合分析方法，系统研究了其微观结构、力学性能及相关变形行为。

研究成果显示，经过多步冷轧和退火处理，新开发的(Ni，Co)₃(Si，Ti，Al)型合金呈现出独特的分层双相纳米结构，在室温下展现出卓越的强度和延展性。其中，Al(Ti)合金表现尤为突出，屈服强度约为1011MPa，抗拉强度约为1690MPa，延展性可达35%。TEM和3D-APT详细分析表明，富Co的无序纳米颗粒从L12基体区域析出，主要被超晶格位错对剪切，产生显著的强化效果。在大变形时，由于堆垛层错能降低和应力达到临界值，还观察到超晶格堆垛层错（SSFs）。

不同Si和Ti含量会因吉布斯自由能变化显著影响合金的相结构，Ti元素更易促进L12有序化。Al(Ti)合金沿晶界形成的fcc型无序纳米层与Al(Si)合金晶界附近的不均匀无序fcc形成对比，前者能有效消除晶间断裂。在变形早期，超晶格位错对剪切fcc纳米颗粒是L12基体区域的主要变形模式，fcc纳米颗粒的反向析出也有显著硬化作用，提高了屈服强度。而在变形后期，由于Al(Ti)合金自身堆垛层错能低且强度极高，SSFs被激活，这种变形结构提高了合金的加工硬化响应和延展性。

相关研究成果以“Extraordinary strength-ductility synergy in chemically complex intermetallic alloys with hierarchical dual-phase nanostructures”发表在Acta Materialia上

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645425003738?via%3Dihub

图1 （a）新设计的CCIMA在环境温度下测试的工程拉伸曲线。

（b）分别显示Al（Si）和Al（Ti）合金的断口特征的SEM图像

图2 （a）和（b）分别是Al（Ti）和Al（Si）合金的EBSD图像。

（c）Al（Ti）和Al（Si）合金的X射线衍射图。

（d）和（e）Al（Ti）和Al（Si）合金的高倍SEM图像。

（f）Al（Ti）和Al（Si）合金的相含量。

图3 （a）DF-TEM图像，显示了Al（Ti）合金微观结构的概览，其SAED图案在右侧。

（b）Al（Ti）合金中fcc基体区域的STEM-BF图像和相应的EDX元素映射。

（c）HRTEM图像显示了Al（Ti）合金L1₂基体区域内的fcc纳米沉淀物，其右侧显示了相应的FFT图案。

图4 （a）DF-TEM图像，显示了Al（Si）合金微观结构的概览，其SAED图案在右侧（b）STEM-BF图像和Al（硅）合金中fcc基体区域的相应EDX元素映射。

（c）HRTEM图像显示了Al（Si）合金L1₂基质区域内的fcc纳米沉淀物，FFT图案显示在其右侧。

图5 （a）从Al（Ti）合金中的fcc基质区域沉淀出的有序L1₂纳米粒子的原子图（左）和相应的邻近直方图（右）。

（b）从Al（Ti）合金中的L1₂基质区域沉淀出的无序fcc纳米颗粒的原子图（左）和相应的邻近直方图（右）。

（c）通过杠杆法则计算的这两种纳米沉淀物的体积分数。

（d）和（e）分别为L1₂和fcc纳米沉淀物的统计沉淀物直径的直方图。

图6 （a）从Al（Si）合金中的fcc基质区域沉淀出的有序L1₂纳米粒子的原子图（左）和相应的邻近直方图（右）。

（b）从Al（Si）合金中的L1₂基质区域沉淀出的无序fcc纳米颗粒的原子图（左）和相应的邻近直方图（右）。

（c）通过杠杆法则计算的这两种纳米沉淀物的体积分数。

（d）和（e）分别为L1₂和fcc纳米沉淀物的统计沉淀物直径的直方图。

表1 Al（Ti）和Al（Si）合金中不同相的化学成分（at.%）。

图7 （a）Al（Ti）和Al（Si）合金中fcc和L1₂相的吉布斯自由能的温度依赖性。

（b）Al（Ti）和Al（Si）合金中fcc相和L1₂相之间的Δ_G。

图8 （a）HAADF和Al（Ti）合金中晶界结构的相应EDX映射。

（b）-（d）STEM-HRTEM图像和相应的FFT图像，显示了在相邻L1₂晶粒之间的晶界处均匀装饰的无序纳米层。

图9 （a）HAADF和Al（Si）合金中晶界结构的相应EDX映射。

（b）-（d）STEM-HRTEM图像和相应的FFT图像，显示了Al（Si）中相邻L1₂晶粒之间的晶界处的无序纳米层。

图10 （a）DF TEM图像显示了Al（Ti）合金在~5%变形后的总体微观结构。

（b）显示具有清晰APB的L1₂颗粒的放大DF TEM图像和（c）显示由超位错对共享的fcc颗粒的放大亮场（BF）TEM图像。

（d）APD的HRTEM图像，显示超晶格位错对之间的无序区。它们的FFT模式显示在右侧。

图11 （a）和（b）BF和DF TEM图像，显示了拉伸断裂后Al（Ti）合金的SSF结构。

（c）HRTEM图像给出了SF和相应FFT模式的典型示例。

（d）说明在变形样品中发现的SF的特征。

本文通过开发新型(Ni，Co)₃(Si，Ti，Al)型化学复杂金属间合金（CCIMAs），并对其进行多方面研究，得到一系列成果，展示出该合金在性能、微观结构及变形机制等方面的特性，为金属间合金的发展提供了重要参考：

（1）新开发的(Ni，Co)₃(Si，Ti，Al)型合金经多步冷轧和退火后，呈现独特的分层双相纳米结构，室温下强度和延展性优异。如Al(Ti)合金，屈服强度约1011MPa，抗拉强度约1690MPa，延展性达35%。

（2）在(Ni，Co)₃(Si，Ti，Al)合金体系中，Si和Ti含量不同会因吉布斯自由能变化显著影响合金相结构。Ti元素的有序化能量较高，更易促进L1₂有序化。

（3）Al(Ti)合金沿晶界形成fcc型无序纳米层，而Al(Si)合金晶界附近形成不均匀的无序fcc结构。Al(Ti)合金这种完整覆盖晶界的无序fcc纳米层能有效消除晶间断裂。

（4）变形早期，L1₂基体区域的主要变形模式是超晶格位错对剪切fcc纳米颗粒，且fcc纳米颗粒的反向析出有显著硬化作用，提高了屈服强度。后期，由于Al(Ti)合金自身堆垛层错能低且强度高，在变形时观察到超晶格堆垛层错（SSFs）。{111}平面上的交叉SSFs被激活，这种变形结构提高了合金的加工硬化响应和延展性。