共晶高熵合金往往具有多级的层片状结构，其强度与片层厚度直接相关，传统的凝固方式只能产生微米和亚微米级的层片结构，因而限制了其强度。纳米片层结构可以很好地增强高熵合金的强度，但同时这种纳米结构会限制材料的塑性和延展性。科学家们尝试了许多方法来解决强度与塑性之间的矛盾，如薄膜沉积，严重塑性变形等方法。但是这些方法导致了强织构的纳米结构，进而产生明显的各向异性，限制了材料的应用场景。

马萨诸塞大学阿默斯特分校的Wen Chen课题组和佐治亚理工学院的Ting Zhu课题组合作，创造性地将激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术用于生产AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金，实现了双相纳米片层多级共晶结构，实现了屈服强度（1.3 GPa）与延伸率（14%）的同步提升，远高于其他类似的增材制造合金，并且样品具有很好的各向同性，适用于更多的工程应用场景。其中，作者利用中子衍射技术，深入研究了共晶的fcc相与bcc相之间的应力转移现象，以及变形过程中两相中位错密度的变化规律。

▲论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-022-04914-8

LPBF制备纳米片层共晶结构

作者利用激光粉末床熔融（LPBF）工艺制备了具有纳米片层多级结构的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）表征显示，双相纳米片层由交替的体心立方（bcc）和面心立方（fcc）纳米层组成，厚度分别为λbcc = 64 ± 24 nm和λfcc = 151 ± 39  nm，相邻片层之间的间距λ=215 nm。在fcc和bcc相之间确定了经典的Kurdjumov–Sachs取向关系，即{111}fcc||{110}bcc和<110>fcc||<111>bcc。

▲图：增材制造共晶高熵合金纳米片层共晶结构

a 增材制造打印样品; b 光镜图像3D重构打印样品; c EBSD结果 d 二次电子图像形貌; e TEM明场图像; f 片层厚度统计结果 g HAADF-STEM图像; h ATP结果

纳米片层多级结构实现强塑性

增材制造的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金具有优异的机械性能，3D打印态合金的屈服应力可以达到1333MPa，拉伸极限为1640MPa，均匀延伸率为14%，并且在高流动应力时具有更高的加工硬化率。经800?°C，1h的热退火之后的样品，均匀伸长率超过20%，屈服强度达到了1GPa；持续600?°C，5h的退火后样品的屈服强度和极限抗拉强度增加到大约1.6?GPa和1.9?GPa，均匀延伸率则下降为7.5%。

这种高强度来自于纳米尺度的片层结构，两相之间的半相干界面对位错的滑移施加了较强的约束，根据Hall-Petch关系，这种纳米片层提供了约1?GPa的屈服强度，而且LPBF工艺也会引入更高的位错密度，提升加工硬化能力。而高韧性来自于纳米片层结构的bcc相的异常高应变硬化能力，其硬化能力甚至超过了片层的fcc相，这主要来源于fcc与bcc纳米片层的半相干界面对位错的阻碍和存储能力。

▲图：增材制造共晶高熵合金拉伸性能 a 打印态及退火态AM AlCoCrFeNi2.1拉伸曲线; b 屈服强度及均匀延展率对比

▲图：fcc和bcc纳米片层界面处位错堆积 a-f TEM明场像; g-i HRTEM图像; IFFT结果

中子能够做什么？

▲图：中子衍射反映fcc与bcc晶格应变演变

▲共晶高熵合金两相中位错密度分析

作者基于中子衍射技术，获取了共晶高熵合金中的fcc和bcc两相体积分数、晶格失配、晶格应变等重要的微观参数信息，同时采用modified Williamson-Hall (mWH)方法分析全谱衍射峰的宽化以得到两相分别的位错密度，说明了两相加工硬化能力的提升，为阐述超高强度-韧性背后的机理提供了支持。