近年来，高温合金快速发展，不少新的合金体系被开发出来，以应对高温所带来的软化，但与高温相对的还有一种极端环境——深冷环境（如液氢≈20 K、液氦≈4.2 K，外太空≈3K），在深冷环境中同样会对结构材料提出极高要求，维持高强度的同时还需要有足够的塑性和稳定性，以便长期服役所需。然而传统的如晶粒细化、位错累积、非相干析出相等强化机制往往会引入缺陷聚集，这些缺陷在深冷条件下易导致应变集中和不连续塑性流动（DPF），最终使材料在极低温下快速失效。作为低温合金，如何在低温环境下同时获得高的强塑性和稳定性，是最为关键的性能指标。

近日，韩国高丽大学Seok Su Sohn教授团队开发出一种新型Co36Ni46Mo11Al7中熵合金，在液氦温区（4.2K）下展现出高达2.1GPa的超高强度和50%的延展性，成功突破了低温合金中强度与稳定性的长期矛盾。目前这一研究成果已于2025年8月27日在《Advanced Functional Materials》期刊上以题为“Ultrahigh Strength with Suppressed Flow Instability at Liquid Helium Temperature via Coherent Nanoprecipitation in a Medium-Entropy Alloy”的研究论文形式公开发表。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202515593

【核心内容】

在这项研究中，团队通过提高晶格摩擦应力和引入高体积分数的相干L1₂纳米析出相的策略，设计能够在深冷条件下保持高强高塑的Co36Ni46Mo11Al7合金，通过力学表征，该合金在4.2K下实现了2.1GPa的超高强度和48%的延伸率，微观结构的表征分析证实了这样优异的性能组合来源于团队的微观结构设计策略不仅提供了强化，还促进了Hirth锁的形成，有效抑制了不连续塑性流动（DPF）的发生，最终实现低温条件时强塑的协同优化。

【研究方法】

研究团队采用高纯度元素在氧化锆坩埚中进行真空感应熔炼制备合金铸锭，随后经过均匀化、冷轧、退火和时效等热处理工艺，为了对比，按照相同的熔炼制备了具有FCC基体成分的合金，并对冷轧薄板在1273K和1323K下进行退火，以获得不同晶粒尺寸的FCC单相组织。

通过XRD分析确定了热处理后的相演化，采用EBSD评估晶粒尺寸分布，通过FE-SEM分析析出相的形貌、分布和体积分数，采用TEM和EDS对析出相的结构和变形机理进行了研究，使用APT对详细化学成分进行了表征。力学试验方面，试样的冷却采用液氮预冷+喷射液氦的方式，拉伸时应变速率为10⁻³ s⁻¹并使用维氏显微硬度计评估合金的硬度。

Co36Ni46Mo11Al7合金的显微组织特征

【研究成果】

① 室温与液氦温度下的优异力学性能

室温下合金的屈服强度为1.06GPa，抗拉强度为1.48GPa，延伸率为44.7%，随着温度降低到4.2K时，合金的力学性能并未降低，反而有了不同程度的增强，屈服强度达到了1.39GPa，而抗拉强度更是提高了2.09GPa，延伸率也没有降低，而是达到了50%左右。

合金的应力-应变曲线及与其他低温合金性能对比

② 深冷变形机制演化

在变形机制方面，表现出了较强的温度依赖性，即不同温度下主导机制发生了一定的转变，室温下，合金的塑性变形主要依赖位错滑移及其交互作用，仅有少量纳米孪晶的形成。而在液氦温区，情况发生了变化，虽然位错滑移依然活跃，但产生了大量孪晶，这些孪晶成为强有力的障碍，增强了位错储存能力和应变硬化率，显著提高了材料的强度和延展性，研究团队将这一现象称为“动态Hall–Petch效应”。

不同温度下的位错与孪晶演化机制

③ 抑制不连续塑性流动（DPF）的新机制

液氦温度下的DPF机理与位错-析出相相互作用

【总结与展望】

该研究证明了通过集成高晶格摩擦和相干L12纳米析出相可以在4.2K下实现超高强度和高延展性的优异性能组合，这一成果不仅解决了低温下强度与稳定性的权衡问题，而且为未来深冷工程、航天结构等极端环境应用提供了全新的合金设计思路和理论依据。