導讀: 借鑒自然界的經驗設計多尺度異質結構，為實現金屬和合金優異的強度-延性協同作用提供了一種有前途的策略。實現這一目標通常需要復雜的多步驟熱機械加工，但這仍然是鑄造合金而不是鍛造合金的挑戰。在這里開發了一種Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅ （at.%）鑄造多主元素合金（MPEA），在鑄造狀態下，它表現出多層次的非均質組織，包括多個長度尺度的析出物。微尺度體心立方（BCC）晶粒分散在連續的面心立方（FCC）結構框架中。在FCC基體中形成了相干的L1₂納米顆粒，而在BCC晶粒中則析出了大量具有層次尺寸的納米顆粒。位錯和多尺度析出相之間的協同作用導致了大量的位錯網絡和層錯，導致了穩定的應變硬化行為，使合金具有優異的強度和延展性，而無需均質化和復雜的加工。我們相信這代表了一個突破，超越了已知的鑄造MPEA，并為開發新的高性能鑄造合金提供了啟示。

在過去的幾十年里，多主元素合金（MPEA）或多組分合金，通常以中到高的構型熵為特征，由于其多樣化和優異的性能，已成為傳統金屬材料在結構應用中的極有前途的替代品。迄今為止，在一些MPEA中，強度和延性難題已經通過采用復雜的熱機械加工得到解決。MPEA優異的力學性能依賴于四種核心強化機制，即固溶強化、晶粒細化強化、第二相強化和加工硬化。其中，第二階段強化機制在拉伸載荷下的強度增強效果尤為顯著。通過控制合金成分和優化熱處理，亞微米到納米級的析出物可以引入飽和的固溶基體中，從而在變形過程中促進位錯的堆積和倍增。

與包括MPEA在內的人造合金相比，自然界進化的生物材料在多個長度尺度上往往表現出較大的成分和結構異質性。一個典型的例子是皮質骨，膠原分子和羥基磷灰石納米晶體在納米尺度上組裝成礦化的膠原原纖維。原纖維進一步組裝形成纖維（1 lm直徑），薄片（5 lm直徑厚度），然后是骨（200 lm直徑）按照特定的安排-這些結構特征在多個長度尺度上起著增強和增韌的協同作用。這種層次非均質結構賦予了生物材料在不同區域和長度尺度上產生的強度和斷裂韌性的良好組合。最近的研究表明，在金屬和合金中引入類似的分層非均質在促進應變硬化和促進均勻拉伸延展性方面具有良好的有效性。在這種情況下，熱機械加工（例如，均質化、熱軋、熱鍛造、熱擠壓、退火和時效）已被證明是構建此類結構的可行方法，可以觸發一種或多種強化機制，以避免強度-延性權衡。然而，現有的在MPEA中創建分層異質性的策略通常涉及復雜且耗時的多階段熱機械處理。相比之下，不需要后續變形處理的直接鑄造，通過具有成本效益的大規模生產復雜形狀部件，顯示出獨特的優勢。然而，鑄態MPEA在拉伸狀態下往往表現出高強度但低延性，反之亦然。因此，在不采用復雜的熱機械加工的情況下，通過直接鑄造技術開發高性能MPEA仍然是一個挑戰。

在本研究中，山東大學宋凱凱團隊通過在一組（CrFeNi）_100-x-yAl_xTiy (at.%)MPEA中以便宜的Fe取代昂貴的Co，同時在CrFeNi體系中引入Al和Ti元素，成功地解決了上述問題。基于系統熱力學計算對相形成的評價，是一種含5%的Al和5%的Ti合金成分。在合金中構建了分層非均質結構，這包括在FCC基體中形成相干L12納米顆粒以及在BCC晶粒中析出多個分層顆粒。這種設計策略通過制備的Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA 得到驗證，由于位錯和多尺度析出相之間的協同相互作用，提供了卓越的強度-塑性組合。研究了組織和變形行為的細節，以闡明微觀組織的形成和強化/延化機制。

相關研究成果以“Exceptional strength-ductility synergy in a casting multi-principal element alloy with a hierarchically heterogeneous structure”發表在MATERIALS TODAY上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702124002335

圖1 Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA的成分設計及相分析。

(a-c) (CrFeNi)_100-x-yAl_xTi_y合金中a) VEC vs.δ, b) X vs. δ和c) ΔH_mix vs.δ計算的熱力學參數的相形成函數。

(d, e) (CrFeNi)_100-xAl_x和（CrFeNi）_100-xTi_x合金中VEC、ΔHmix和相組成對Al或Ti含量的影響。

(f)計算出Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅ MPEA的相體積分數隨溫度變化的平衡相圖

基于以上分析，為了進一步研究，我們有意將組合物設計為Cr30Fe30Ni30Al5Ti5。由于其d、X、ΔH_mix和VEC分別為4.82%、2.11、-10.02 kJ/ml和7.55，預計形成由FCC和BCC相組成的非均相結構，并形成一系列有序的析出相，這可能會提高材料的力學性能。利用Thermol - Calc v. 2020b和TCHEA-3數據庫對Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅ MPEA進行熱力學相圖計算，從理論上預測相的形成。根據計算出的平衡相隨溫度的函數圖（圖1f），隨著溫度的降低，熔體首先形成初級BCC相，然后在凝固過程中剩余的熔體轉變為FCC相。隨著溫度的降低，BCC和FCC基體中會析出L12、L21、g-Ni₃Ti和B2等有序化合物。由于在非平衡凝固條件下有限的溫度和時間窗口，這些相有望保持到室溫。這導致了一個復雜的相構成，主要是一致的目標，我們的組成設計。

圖2 Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA的層次非均質結構。

a-d)放大后的SEM和亮場（BF） TEM圖像顯示MPEA的復合結構和BCC區域內的分層沉淀物。

e) FCC區域的HRTEM圖像（插圖：FFT圖）。

f) L12粒子的重構IFFT圖像。g) BCC矩陣中核殼結構NL粒子的BF-TEM圖像。

h) g)框框區域的HRTEM圖像。

i)核-殼結構NL粒子的元素分布（殼結構用青色箭頭表示）。

j, k) B2 （NM）和I，

m) gNi₃Ti （NS）粒子（插入：FFT圖案）的HRTEM和重構IFFT圖像。

n) NM和NS粒子的元素分布。在相應的FFT圖像中利用圈出的空間頻率重構圖像。

圖3 Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA與其他合金的單軸拉伸性能對比。

a) Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA與具有FCC和FCC + BCC結構的CrFeNi合金以及具有納米析出相的CrFeNiNb_0.158和（CrFeNi）₉₆Ti₄合金的拉伸工程應力-應變曲線。

b) Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA與在CrFeNi體系中進行復雜多步熱處理的其他MPEA的σ_u和?_e比較。

c、d) Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA與其他鑄造MPEA （IMC：金屬間化合物）的比較(c)σ_u和?_e和d) σ_u、?_e和?_y。

圖4斷口后Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA的形貌及微納結構。

a、b) a)側向和b)斷裂面宏觀到微觀的斷裂形態。c) SEM圖像及對應的d)波段對比，

e)相位圖，f) IPF圖，g)斷裂后MPEA的KAM圖像。HAGB：高角度晶界。

h)變形FCC框架的BF-TEM圖像（插入：包含纏結位錯區域的相應FFT圖）。i)沿[10]方向的HRTEM圖像。

j) i)中被框區域的3個晶格位錯的Burgers電路放大圖像。

k, l)變形BCC晶粒的BF-TEM圖像。m) L2₁粒子被微帶剪切的示意圖。

n) HRTEM圖像和o) BCC/g界面對應的GPA應變場（k中紅框框內）。

n)中的插圖是BCC（上）和g（下）相的FFT圖像。p) HRTEM圖像，

q) BCC矩陣對應的GPA應變場（如圖1）中藍色方框所示)。

圖5分層非均質結構在鑄造MPEA中的演化和力學作用示意圖。

a)凝固過程中含有多尺度析出物的非均相組織的形成過程。

b) MPEA的變形機理示意圖及分層非均質結構在強化材料和局部應變中的力學作用。第一階段：彈塑性變形；第二階段：塑性變形；第三階段：骨折損傷。

本研究設計并制造了一種多組分Cr₃₀Fe₃₀Ni₃₀Al₅Ti₅鑄造MPEA，該MPEA具有精心定制的層次非均質結構，包含微納米級析出物。主要成果如下：

(1)層次非均質結構使MPEA在鑄態時具有優異的力學性能，其強度-塑性組合優于其他多組分CrFeNi合金，即使經過復雜的熱處理和其他鑄造MPEA。

(1)多尺度沉淀具有阻礙位錯運動、促進位錯擴散和堆積、形成大量位錯網絡和層錯的作用，在增強強度的同時具有良好的延性。

(2)本研究提供了一種設計高性能MPEA的新策略，使最終部件的直接鑄造成為可能，而不需要復雜的鍛造合金工藝。