导读：兼具高强度与高延展性的金属材料在工程应用中极具吸引力，因为它们能够在破坏前承受巨大的应力与应变。然而，强度与延展性往往相互制约，迫使研究者在二者之间寻求平衡。为突破这一长期存在的性能权衡，材料学家们通过多种策略进行探索：开发新型合金成分，引入强化机制同时保持延展性（如共格析出物或短程有序结构），或在单一合金中共存软硬两种晶体结构；此外，通过先进制造工艺构筑分级或梯度微结构，以在不同变形阶段依次激活多种变形机制，也是实现“强–韧兼备”的有效路径。共晶高熵合金（EHEA）正是这种成分设计理念的典型代表，其通过整合塑性好的面心立方（FCC）相与强度高的体心立方（BCC）相，展现出优异的强度–延展性平衡。随着增材制造技术，特别是激光粉床熔覆技术（L-PBF）的迅速发展2025最可靠的网上股票配资公司，这类合金体系的性能提升迎来了新契机。
新加坡南洋理工周琨教授团队利用L-PBF技术制备了一种多层级异质结构的Al₁₉Co₂₀Fe₂₀Ni₄₁共晶高熵合金，具有1.3 GPa的屈服强度和20%的均匀延伸率，实现了高强度与高延展性的协同。该合金优异的力学性能源于多种变形机制的协同作用及持续加工硬化能力，包括更高比例的延展性FCC相、均匀分布的共格纳米析出物、纳米层片结构、分级异质微观组织以及变形诱导的纳米空洞。这一研究成果为通过“成分设计+先进制造”实现高性能结构合金提供了新思路。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-64871-4
该工作以“Unveiling the mechanisms of strength–ductility synergy in an additively manufactured nanolamellar high-entropy alloy”为题目，发表在顶刊《Nature Communications》上。新加坡南洋理工大学周琨教授为通讯作者，Shubo Gao为第一作者，合作者包括清华大学高华健教授、中南大学刘咏教授、新加坡科技研究局Sharon Nai研究员、以及Weiming Ji、Qi Zhu、Xueyu Bai、Asker Jarlöv和Xiaojun Shen。
图1.“合金设计+先进制造”：共晶高熵的分级异质微观组织。
通过提高合金价电子浓度（VEC=8.07）使FCC相比例增加，利用L-PBF的超高冷速实现纳米级FCC/B2片层结构，从根本上平衡了强度与塑性来源；为L-PBF实现“超强+高韧”的EHEA提供了设计准则。L-PBF的工艺灵活性还可以实现相分布的局部控制，形成介观尺度的BCC富集区与贫化区。
图2.优异的拉伸屈服强度和均匀延长率。
与传统制备工艺以及其他合金体系相比，该研究工作中L-PBF制备的EHEA展现了卓越的力学性能。体现了“合金设计+先进制造”的结合优势。
图3. FCC和B2纳米片层中形成共格纳米析出物。
纳米片层内部形成了5 nm级的有序L1₂与无序BCC的纳米析出物，它们与基体同构但化学有序度不同，既能钉扎位错提升强度，又不阻断滑移通道保持延展性。这一“共格析出物强化机制”充分发挥了析出强化+片层约束效应的双重作用，使材料在纳米尺度上实现了“强而不脆”的平衡。
图4. 分层异质结构的应变硬化。
FCC/BCC片层、晶粒及相区的变形协调不一致，产生大量几何必要位错（GNDs）。这些GNDs在层片界面堆积，产生长程内应力场，在塑性阶段不断激活新滑移系，使得形变强化可持续进行。
图5. BCC片层中的纳米空洞在拉伸后期缓解应力集中，有效推迟断裂
合金变形后期在BCC片层中形成纳米空洞（nanovoids）。原子模拟（MD）揭示其源自局域应力集中导致的BCC相部分非晶化。这些纳米空洞能在塑性阶段均匀吸收与释放局部应力，相当于微型“缓冲器”，有效延迟裂纹萌生与扩展，使材料即便在高强度状态下仍能维持持续塑性变形。
该研究通过将成分设计与增材制造深度融合，实现了共晶高熵合金的多尺度、多机制的协同强化，为高价值金属构件的直接打印提供了可行路径，也为未来异质结构金属体系的可控设计奠定了基础。展望未来，这一策略可推广至更广泛的合金体系，包括双相合金、梯度功能材料以及反应型结构合金等，从而构建出兼具极限强度、优异塑性与环境稳定性的下一代金属材料。
团队介绍
新加坡南洋理工大学周琨教授课题组依托于新加坡3D打印中心和惠普-南洋理工大学数字制造联合实验室，长期从事多种增材制造技术（3D打印）研究。目前聚焦于高性能新金属材料及功能聚合物复合材料研发、先进结构设计和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微观力学性能表征及其应用等。
本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢作者团队支持。
百川资本提示：文章来自网络，不代表本站观点。
