新加坡南洋理工周琨《Nature Communications》：增材制造高強韌共晶高熵！

導讀：兼具高強度與高延展性的金屬材料在工程應用中極具吸引力，因為它們能夠在破壞前承受巨大的應力與應變。然而，強度與延展性往往相互制約，迫使研究者在二者之間尋求平衡。為突破這一長期存在的性能權衡，材料學家們通過多種策略進行探索：開發新型合金成分，引入強化機制同時保持延展性（如共格析出物或短程有序結構），或在單一合金中共存軟硬兩種晶體結構；此外，通過先進制造工藝構筑分級或梯度微結構，以在不同變形階段依次激活多種變形機制，也是實現“強–韌兼備”的有效路徑。共晶高熵合金（EHEA）正是這種成分設計理念的典型代表，其通過整合塑性好的面心立方（FCC）相與強度高的體心立方（BCC）相，展現出優異的強度–延展性平衡。隨著增材制造技術，特別是激光粉床熔覆技術（L-PBF）的迅速發展，這類合金體系的性能提升迎來了新契機。

新加坡南洋理工周琨教授團隊利用L-PBF技術制備了一種多層級異質結構的Al??Co??Fe??Ni??共晶高熵合金，具有1.3 GPa的屈服強度和20%的均勻延伸率，實現了高強度與高延展性的協同。該合金優異的力學性能源于多種變形機制的協同作用及持續加工硬化能力，包括更高比例的延展性FCC相、均勻分布的共格納米析出物、納米層片結構、分級異質微觀組織以及變形誘導的納米空洞。這一研究成果為通過“成分設計+先進制造”實現高性能結構合金提供了新思路。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-64871-4

該工作以“Unveiling the mechanisms of strength–ductility synergy in an additively manufactured nanolamellar high-entropy alloy”為題目，發表在頂刊《Nature Communications》上。新加坡南洋理工大學周琨教授為通訊作者，Shubo Gao為第一作者，合作者包括清華大學高華健教授、中南大學劉詠教授、新加坡科技研究局Sharon Nai研究員、以及Weiming Ji、Qi Zhu、Xueyu Bai、Asker Jarl?v和Xiaojun Shen。

圖1.“合金設計+先進制造”：共晶高熵的分級異質微觀組織。

通過提高合金價電子濃度（VEC=8.07）使FCC相比例增加，利用L-PBF的超高冷速實現納米級FCC/B2片層結構，從根本上平衡了強度與塑性來源；為L-PBF實現“超強+高韌”的EHEA提供了設計準則。L-PBF的工藝靈活性還可以實現相分布的局部控制，形成介觀尺度的BCC富集區與貧化區。

圖2.優異的拉伸屈服強度和均勻延長率。

與傳統制備工藝以及其他合金體系相比，該研究工作中L-PBF制備的EHEA展現了卓越的力學性能。體現了“合金設計+先進制造”的結合優勢。

圖3. FCC和B2納米片層中形成共格納米析出物。

納米片層內部形成了5 nm級的有序L1?與無序BCC的納米析出物，它們與基體同構但化學有序度不同，既能釘扎位錯提升強度，又不阻斷滑移通道保持延展性。這一“共格析出物強化機制”充分發揮了析出強化+片層約束效應的雙重作用，使材料在納米尺度上實現了“強而不脆”的平衡。

圖4. 分層異質結構的應變硬化。

FCC/BCC片層、晶粒及相區的變形協調不一致，產生大量幾何必要位錯（GNDs）。這些GNDs在層片界面堆積，產生長程內應力場，在塑性階段不斷激活新滑移系，使得形變強化可持續進行。

圖5. BCC片層中的納米空洞在拉伸后期緩解應力集中，有效推遲斷裂

合金變形后期在BCC片層中形成納米空洞（nanovoids）。原子模擬（MD）揭示其源自局域應力集中導致的BCC相部分非晶化。這些納米空洞能在塑性階段均勻吸收與釋放局部應力，相當于微型“緩沖器”，有效延遲裂紋萌生與擴展，使材料即便在高強度狀態下仍能維持持續塑性變形。

該研究通過將成分設計與增材制造深度融合，實現了共晶高熵合金的多尺度、多機制的協同強化，為高價值金屬構件的直接打印提供了可行路徑，也為未來異質結構金屬體系的可控設計奠定了基礎。展望未來，這一策略可推廣至更廣泛的合金體系，包括雙相合金、梯度功能材料以及反應型結構合金等，從而構建出兼具極限強度、優異塑性與環境穩定性的下一代金屬材料。

團隊介紹

新加坡南洋理工大學周琨教授課題組依托于新加坡3D打印中心和惠普-南洋理工大學數字制造聯合實驗室，長期從事多種增材制造技術（3D打印）研究。目前聚焦于高性能新金屬材料及功能聚合物復合材料研發、先進結構設計和多尺度模擬仿真、增材制造零件宏微觀力學性能表征及其應用等。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。