北京理工大学材料学院程兴旺、马兆龙课题组近日在难熔高熵合金研究中取得重要进展。2025年6月，相关研究成果以“Achieving synergistic strength-ductility in a novel refractory high-entropy alloy from room to high temperatures through nano-silicide precipitation-mediated dislocation dynamics”为题在国际知名期刊《International Journal of Plasticity》上发表。博士生李海洋为第一作者，北京理工大学材料学院马兆龙教授，程兴旺教授为论文共同通讯作者，北京理工大学为第一单位。

难熔高熵合金（RHEAs）因其优异的高温力学性能，被视为极具潜力的高温结构材料。然而，其在极端环境下的应用面临室温延展性、高温强度保持及微观结构稳定性的关键挑战。

为应对这一难题，课题组研发了一种新型非等摩尔、低密度（V₃₀Nb₄₀Ti₂₀Ta₁₀）₉₉Si₁难熔高熵合金（密度7.91 g/cm³），通过纳米硅化物析出工程和位错动态优化，实现了室温变形能力与高温性能的卓越协同。该合金在室温下展现出优异的强塑性匹配（屈服强度958 MPa，断裂应变33.1%，均匀拉伸延伸率15.7%），得益于纳米硅化物介导的交叉滑移、多平面滑移及层级位错亚结构的演化。在1000°C高温下，合金保持258 MPa屈服强度和76%延伸率，超越传统锻造高温合金。多尺度分析表明，沉淀强化与动态再结晶（DRX）驱动的微观结构演化协同作用，使合金在苛刻热机械环境中维持机械完整性。长期热暴露实验（1000°C，120小时）证实，其微观结构稳定性极高，强度保持率超过99%。这种强韧性平衡与高稳定性使该合金在众多RHEAs中脱颖而出。

为探究纳米硅化物对强塑性的协同增益，研究对比了单相合金（Si0-H-R-A）与纳米硅化物强化合金（Si1-H-R-A）的微观结构与力学性能（图1、图2）。通过图2中对断后组织的GND分析，纳米硅化物显著阻碍位错运动，显著提升Si1-H-R-A的加工硬化能力。

为系统揭示位错介导的强化机制及Si1-H-R-A强塑性协同的微观起源，研究通过TEM分析了不同应变下Si1-H-R-A的位错亚结构。如图3所示，Si1-H-R-A展现交叉滑移与多平面滑移特性，纳米硅化物促进位错增殖，并在变形后期形成典型位错胞结构，纳米硅化物附近生成高位错密度的偶极子墙。

为进一步评估Si1-H-R-A在1000°C下的力学性能与组织稳定性，开展了高温拉伸测试及1000°C、120小时热暴露实验。如图4所示，合金在1000°C下保持258 MPa屈服强度和76%延伸率。图5显示，Si1-H-R-A具有优异热稳定性，经120小时热处理后，室温强度几乎不变，断后延伸率接近30%；1000°C下屈服强度约270 MPa，断后延伸率约71.3%。

图6对比了Si1-H-R-A与已报道的高熵合金、镍基合金及铌基合金在室温和1000°C的力学性能。相较其他RHEAs，Si1-H-R-A展现出高室温屈服强度（约958 MPa）、优异断后延伸率（约33.1%）及均匀延伸率（约15.7%）的协同优势。其卓越性能源于多尺度微观结构设计：一是高熵基体增强缺陷容忍性；二是硅合金化带来的固溶强化；三是纳米硅化物介导的Orowan强化及位错存储能力提升。在1000°C下，Si1-H-R-A屈服强度约258 MPa，比强度约32.5 MPa·g⁻¹·cm³，超越Inconel 718等高温合金。其优异性能源于协同高温强化机制：高熔点基体、高熵合金固有的缓慢扩散动力学及热稳定纳米硅化物。

综上所述，程兴旺、马兆龙课题组研发的纳米硅化物强化（V₃₀Nb₄₀Ti₂₀Ta₁₀）₉₉Si₁难熔高熵合金，展现出卓越的室温强塑性、高温强度及热稳定性协同。本研究为先进RHEAs设计提供了新框架，突破了室温延展性与高温性能的平衡难题，为航空航天及涡轮应用开辟了广阔前景。

图1 Si0-H-R-A 和 Si1-H-R-A 的微观结构

图2 Si0-H-R-A和Si1-H-R-A室温力学性能和断裂后微观结构的对比分析

图3 Si1-H-R-A在不同应变下的位错亚结构分析

图4 Si1-H-R-A在1000°C下的力学性能和断后微观结构

图5 （a, b）Si0-H-R和Si1-H-R在不同退火时间下的室温拉伸曲线；（c）Si1-H-R在1000°C下退火24 h和120 h后在1000°C下的拉伸曲线

图6 Si1-H-R-A 与其他先进高熵合金、镍基合金和铌基合金的室温和1000°C力学性能比较。（a）25°C时的拉伸伸长率与25°C时的屈服强度；（b）25°C时的均匀拉伸伸长率与 25°C 时的屈服强度；（c）25°C时的拉伸伸长率与1000°C时的屈服强度；（d）25°C时的拉伸伸长率与1000°C下的比屈服强度