松山湖材料實驗室/中國科學院東莞材料科學與技術研究所研究員張博團隊與合作者，憑借原子尺度梯度界面工程的創新策略，成功打破晶界脆性析出相導致材料脆化的傳統認知，將復雜成分合金中的晶界脆性相轉化為塑性通道，達成高強度與高塑性的卓越協同。2月10日，相關成果在線發表于《先進科學》（Advanced Science）。
合金室溫拉伸性能及與傳統合金的強塑-成本對比。研究團隊供圖，下同
復雜成分合金因具備嚴重晶格畸變、緩慢擴散等獨特性質，在航空航天、核工業等極端環境結構材料領域展現出巨大的應用潛力，成為結構材料設計的重要發展方向。然而，這類合金在制備或服役過程中，晶界處極易形成脆性析出相。此類析出相雖能提升材料強度，但會成為應力集中源，加速裂紋的形核與擴展，導致材料塑性急劇降低。受成分復雜性的影響，通過相圖預測抑制脆性相形成，或采用熱機械處理改性析出相的傳統方法難以奏效，脆化問題始終是阻礙其產業化應用的核心難題，強度與塑性的固有矛盾更是該領域長期難以攻克的頑疾。
面對這一關鍵挑戰，在國家杰出青年科學基金等項目資助下，張博團隊聯合密歇根大學教授范悅團隊、中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員管鵬飛團隊，以及香港城市大學教授楊勇團隊，跳出“抑制脆性相形成”的傳統思維定式，提出“改造脆性相界面使其成為塑性通道”的創新思路。團隊首先基于機器學習框架，篩選出無貴重金屬添加的Ni59Cr24Al12Fe5條幅分解合金作為模型體系。隨后，通過精準調控冷軋+退火的熱機械處理工藝，在脆性BCC相和L12相之間構建出成分與結構梯度界面（GIs）。其中，經1173 K退火制備的5-12 nm寬擴散型梯度界面，成為實現材料性能突破的關鍵結構。
梯度界面合金室溫拉伸過程的微觀結構演化。
研究團隊通過室溫拉伸測試、原位中子衍射拉伸表征、高分辨電鏡分析結合分子動力學模擬等多種手段，系統驗證了梯度界面改性后合金的優異性能及其內在變形機制。經梯度界面工程改性的復雜高熵合金，實現了約1.2 GPa的超高屈服強度與約20%的高總延伸率的強塑協同，性能遠超傳統析出強化合金。同時，由于無貴重金屬添加，該合金兼具低成本優勢，且展現出卓越的熱穩定性。在0.72Tm高溫下長時間退火120h后，仍能保持1.42±1.37μm的超細晶結構，晶界無明顯粗化。
梯度界面與尖銳界面拉伸變形的分子動力學模擬。
這一卓越性能源于梯度界面誘導的相間順序塑性激活與動態應力再分布機制：在梯度界面作用下，BCC脆性相率先屈服，位錯先在BCC相中形核發射，隨后應力觸發相鄰L12相的堆垛層錯增殖，實現軟硬相間的協調變形；而L1?相內形成的拓撲壁壘（層錯、位錯）會將應力重新分配回BCC相，形成持續的應變硬化循環，從根本上避免了晶界脆化引發的裂紋萌生與擴展。
相較于傳統合金改性方法，該團隊提出的梯度界面工程策略具有三大顯著優勢：一是創新性強，成功實現脆性析出相從“裂紋源”到“塑性通道”的功能反轉，顛覆了傳統認知；二是通用性高，只要合金體系具備自發元素偏聚的熱力學條件和定制化的擴散動力學路徑，即可通過該方法實現脆性相的塑性改造；三是工程價值大，制備工藝基于常規熱機械處理，且合金無貴重金屬添加，兼具高性能與經濟性，易于向實際工程應用轉化。
合金變形后原子結構的實驗與模擬結果對比。
該研究提出的通用化梯度界面工程策略，不僅為破解析出強化合金的強度-塑性權衡難題提供了全新解決方案，有力推動了復雜成分合金在航空發動機渦輪葉片、核反應堆部件等極端環境結構材料領域的應用，也為其他多相合金的界面設計與性能調控提供了重要參考。
相關論文信息：http://doi.org/10.1002/advs.202518465