近年來，高溫合金快速發展，不少新的合金體系被開發出來，以應對高溫所帶來的軟化，但與高溫相對的還有一種極端環境——深冷環境（如液氫≈20 K、液氦≈4.2 K，外太空≈3K），在深冷環境中同樣會對結構材料提出極高要求，維持高強度的同時還需要有足夠的塑性和穩定性，以便長期服役所需。然而傳統的如晶粒細化、位錯累積、非相干析出相等強化機制往往會引入缺陷聚集，這些缺陷在深冷條件下易導致應變集中和不連續塑性流動（DPF），最終使材料在極低溫下快速失效。作為低溫合金，如何在低溫環境下同時獲得高的強塑性和穩定性，是最為關鍵的性能指標。

近日，韓國高麗大學Seok Su Sohn教授團隊開發出一種新型Co36Ni46Mo11Al7中熵合金，在液氦溫區（4.2K）下展現出高達2.1GPa的超高強度和50%的延展性，成功突破了低溫合金中強度與穩定性的長期矛盾。目前這一研究成果已于2025年8月27日在《Advanced Functional Materials》期刊上以題為“Ultrahigh Strength with Suppressed Flow Instability at Liquid Helium Temperature via Coherent Nanoprecipitation in a Medium-Entropy Alloy”的研究論文形式公開發表。

文章鏈接：

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

【核心內容】

在這項研究中，團隊通過提高晶格摩擦應力和引入高體積分數的相干L1₂納米析出相的策略，設計能夠在深冷條件下保持高強高塑的Co36Ni46Mo11Al7合金，通過力學表征，該合金在4.2K下實現了2.1GPa的超高強度和48%的延伸率，微觀結構的表征分析證實了這樣優異的性能組合來源于團隊的微觀結構設計策略不僅提供了強化，還促進了Hirth鎖的形成，有效抑制了不連續塑性流動（DPF）的發生，最終實現低溫條件時強塑的協同優化。

【研究方法】

研究團隊采用高純度元素在氧化鋯坩堝中進行真空感應熔煉制備合金鑄錠，隨后經過均勻化、冷軋、退火和時效等熱處理工藝，為了對比，按照相同的熔煉制備了具有FCC基體成分的合金，并對冷軋薄板在1273K和1323K下進行退火，以獲得不同晶粒尺寸的FCC單相組織。

通過XRD分析確定了熱處理后的相演化，采用EBSD評估晶粒尺寸分布，通過FE-SEM分析析出相的形貌、分布和體積分數，采用TEM和EDS對析出相的結構和變形機理進行了研究，使用APT對詳細化學成分進行了表征。力學試驗方面，試樣的冷卻采用液氮預冷+噴射液氦的方式，拉伸時應變速率為10⁻³ s⁻¹并使用維氏顯微硬度計評估合金的硬度。

Co36Ni46Mo11Al7合金的顯微組織特征

【研究成果】

① 室溫與液氦溫度下的優異力學性能

室溫下合金的屈服強度為1.06GPa，抗拉強度為1.48GPa，延伸率為44.7%，隨著溫度降低到4.2K時，合金的力學性能并未降低，反而有了不同程度的增強，屈服強度達到了1.39GPa，而抗拉強度更是提高了2.09GPa，延伸率也沒有降低，而是達到了50%左右。

合金的應力-應變曲線及與其他低溫合金性能對比

② 深冷變形機制演化

在變形機制方面，表現出了較強的溫度依賴性，即不同溫度下主導機制發生了一定的轉變，室溫下，合金的塑性變形主要依賴位錯滑移及其交互作用，僅有少量納米孿晶的形成。而在液氦溫區，情況發生了變化，雖然位錯滑移依然活躍，但產生了大量孿晶，這些孿晶成為強有力的障礙，增強了位錯儲存能力和應變硬化率，顯著提高了材料的強度和延展性，研究團隊將這一現象稱為“動態Hall–Petch效應”。

不同溫度下的位錯與孿晶演化機制

③ 抑制不連續塑性流動（DPF）的新機制

液氦溫度下的DPF機理與位錯-析出相相互作用

【總結與展望】

該研究證明了通過集成高晶格摩擦和相干L12納米析出相可以在4.2K下實現超高強度和高延展性的優異性能組合，這一成果不僅解決了低溫下強度與穩定性的權衡問題，而且為未來深冷工程、航天結構等極端環境應用提供了全新的合金設計思路和理論依據。