近日，辽宁材料实验室、江苏大学、南京理工大学联合在高水平期刊《scripta materialia》上发表题为“Ultrafine κ-Phase and De-Faulting Mechanisms Enables 2 GPa Strength with Ductility in a VCoNi Alloy via Ultra-fast Heat Treatment”的学术论文，陈雪飞研究员、罗锐副教授、周浩研究员为共同通讯作者。

前言

中高熵合金（M/HEA）因其特殊的设计理念和独特的力学性能受到广泛关注。不同于传统合金，M/HEA 的强化源于本征机制：显著的晶格畸变（源于原子尺寸失配）和纳米尺度成分波动，共同提升了强度和塑性。此外，强烈的元素间相互作用可促进化学短程有序，进一步阻碍位错运动并增强应变硬化能力。传统强化策略，如晶粒细化、沉淀强化、固溶强化等，在 M/HEA 中依然有效，其中沉淀强化可显著提升其强度，甚至可使屈服强度提升一倍。然而，M/HEA 中的沉淀增强仍然存在一些挑战。例如，不受控制的沉淀物大小、形状或体积分数会严重降低延展性，甚至导致脆性断裂。因此，通过精确热处理实现对微观结构控制至关重要，尤其需要快速升温和精确控温。

基于此，本研究利用 Gleeble 热模拟系统对冷轧单相VCoNi中熵合金进行超短时高温热处理。该系统可实现±0.5℃控温精度的超快速加热，确保对沉淀相精确调控。超短时热处理后的合金获得2 GPa的超高屈服强度，同时保持4%的均匀延伸率。研究发现，超细κ相的变形与高密度纳米尺度层错高度相关。这些层错协同参与κ相变形，并产生以前未报道的“退层错”机制——部分层错在变形后被恢复。更多精彩欢迎关注公众号“材料科学与工程”。

Fig. 1. Gleeble 超短时热处理：(a) 加热、冷却和控制模块的示意图；(b) 热处理过程流程图。

Fig. 2. 超短时热处理对VCoNi样品力学性能的影响: (a) 工程应力-应变曲线；(b)真应力-应变曲线 (σ_true) 和加工硬化曲线 (Θ)；(c) 本文中VCoNi合金与类似工艺M/HEA的力学性能对比。

Fig. 3. VCoNi合金在各种超短时热处理条件下的微观组织演变：(a) 冷轧样品和超短时退火样品的 XRD相分析，其中红色圆形表示 FCC 衍射峰, 绿色菱形表示κ相衍射峰；(b-1) 和 (b-2) 为冷轧样品的IPF和相图；(c-1), (c-2), 和 (c-3) 为UST1 样品的IPF、相图和 TEM 图像；(d-1), (d-2), 和(d-3) 为UST2 样品的IPF、相图和 TEM 图像；(e-1), (e-2), 和(e-3) 为UST3 样品的IPF、相图和 TEM 图像。

Fig. 4. κ相中高密度的层错导致局部相转变为 9R 和 HCP 结构：(a) 未变形的 UST3 样品的明场像；(b-1) 至 (b-8) 一系列纳米束电子衍射图样，每个探针直径约为 20 nm，位于 (a) 中κ相的横向位置。

Fig. 5. UST3 样品拉伸变形过程中的退层错行为：(a) 未变形样品的高分辨微观结构图；(b) 在{11-1}方向对同一区域进行几何相位分析(Geometric phase analysis , GPA)；(c) 图(a)中白色虚线框中原子像的放大图, 显示了高密度的层错；(d) 拉伸变形后的高分辨微观组织；(e) 对应的GPA图；(f) 图(d)中白色虚线框中原子像放大图, 显示了退层错行为的发生使部分区域恢复近乎完美的FCC晶格；(g) 和 (h) 两种“退层错”变形机制。

结论

本研究对处于单相固溶体状态的冷轧VCoNi中熵合金样品进行了 Gleeble 超短时高温热处理，精确的工艺控制诱导形成了超细 κ 相，该相能够与基体协调变形，从而实现了优异的力学协同效应——在接近 2 GPa 的超高强度水平下仍保持了必要的延展性。微观结构分析表明，即使在变形前，κ 相内部也已存在高密度的堆垛层错。这些层错呈非周期性分布，导致局部结构异质性，表现为 FCC、HCP 和 9R 相共存。变形过程中，发生了显著的“退层错”现象，即部分层错恢复。为此，研究提出了两种不同的不全位错发射机制：一种在晶粒内部起作用，另一种在晶界处起作用。分析表明，在超细晶粒微观结构中，晶界发射的不全位错对于促进“退层错”更为有效。