航空航天、核能、海洋等极端服役环境中，结构材料所面临的挑战不仅仅简单的强度与塑性协同，在这些领域中高温是经常出现的服役情况之一，传统高强钢和单相高熵合金常受限于狭窄的温度窗口——在低温下易脆断，高温下则因热软化失效使得它们更多的被使用或可能使用于室温应用领域。

为突破这一瓶颈，近日，北京航空航天大学联合北京科技大学与加州大学伯克利分校在材料领域的国际期刊《Acta Materialia》发表题为“Integrating diverse strengtheners empowers a ferrous high-entropy alloy at ambient and elevated temperatures”的研究性论文，团队基于高熵设计理念，提出了一种“多尺度、多机制协同强化”的新思路，设计出兼具高强度与宽温区适用性的铁基高熵合金Fe-28.2Ni-17Co-11Al-2.5Ta-0.5C-0.04B（at.%）。美国加州大学伯克利分校的Robert O. Ritchie教授与北京航天航空大学天目山实验室的章程研究员、郭洪波教授和赵士腾教授为该论文的通讯作者。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121320

【核心内容】

团队设计出一种能够将高熵固溶强化、金属间化合物强化、短程有序结构强化以及陶瓷颗粒弥散强化四种机制有机结合的Fe-28.2Ni-17Co-11Al2.5Ta-0.5C-0.04B（FeNi CoAlTaCB）合金。该合金具有独特的多层次微观组织，具体特征表现为在FCC基体上分布有短程有序（LCO）结构、金属间化合物（B2析出物）以及多元碳化硼（TaBC）的多尺度结构，从而使合金在1073K下保持超越多数高温钢与传统HEAs的强塑组合——583MPa的屈服强度+21.6%的延伸率。

图形摘要

【研究方法】

团队计算了混合吉布斯自由能、混合熵和混合热焓，以评价由不同组分组成的热力学稳定性，并进行了进一步的参数计算最终确定了合金的成分，随后根据CALPHAD模拟结果，利用Thermo-calc和JMatpro软件对合金的平衡相图和马氏体相变进行了分析。合金铸锭在1573K下进行3h的均匀化处理并水淬后进行热轧+冷轧减薄，随后在1473K下进行10min的退火处理，水淬后在液氮中48h，取出返回室温后在873K下退火2h，然后再次水淬。针对制备完成的合金样品，团队通过EBSD、HAADF-STEM、APT、HRTEM等多尺度表征手段，系统揭示了不同强化相的空间分布与原子尺度特征，并通过室温至高温拉伸实验系统评估其宽温区的力学响应。

合金热力学设计参数与相图模拟

【研究成果】

① 多尺度相调控构筑高强基体

FeNiCoAlTaCB合金展现出独特的层级微观结构，FCC基体中含有细小的LCO区、NiAl型B2相，以及富Ta-B-C的纳米TaBC弥散相，该合金在298K下表现出1836MPa极限强度与20.6%的延伸率，且在873K时仍具备861MPa屈服强度与27.2%延伸率。

多尺度显微结构表征与相分布

宽温域力学性能与对比分析

② 室温下位错-孪生-马氏体协同强化机制

在室温变形条件下，该合金依次经历位错滑移→孪晶形核→应变诱导马氏体相变（TRIP）的序列性强化过程。位错滑移在初期提供合金的塑性来源，随后，低堆垛层错能（~60mJ/m²）促进孪晶形成（TWIP），显著提升加工硬化能力，最后，FCC基体中诱发的马氏体（BCC-α′）相变进一步提高强度，最终实现高强-高塑协同。

室温变形机制演化过程

原位拉伸显微组织动态演变

高温变形机制与断口分析

③ 高温稳定性强化与抗断裂机制

FCC基体内均匀分布的大量L1₂型Ni₃Al纳米析出相（直径约10nm），L1₂纳米沉淀物与FCC基体之间的共格界面有效地减小了合金内部的应力集中，同时提供了大量的析出强化，位错与析出物之间的相互作用机制及其转变是抗高温软化的关键因素——较小的纳米沉淀物容易被位错剪切，而较大的纳米沉淀物阻碍位错运动，从而诱导Orowan机制。此外，TaBC颗粒与B2相在晶界处形成稳固的界面结合，抑制晶界滑移与氧扩散导致的脆化，使合金断口形貌在高温下仍呈现深窝状韧性断裂。

变形亚结构的高分辨表征

高温L1₂析出相强化机制

宽温域强化-变形机制协同示意图

【总结与展望】

团队通过在单一合金体系中引入LCO短程有序结构、L1₂析出相、B2化合物及TaBC陶瓷颗粒，实现了从室温到1073 K的全温区高性能表现，该策略在传统合金和其他高熵合金中具有适用的可推广性，未来，这一思路有望应用于极端载荷环境下的关键构件制造。