南理工《Acta Materialia》：納米沉淀相調控異質結構，實現合金強塑性協同提升

金屬結構材料強度-塑性倒置關系是制約其向高性能化發展的核心瓶頸。沉淀強化型合金是航空航天、能源等領域高端結構件的核心材料，如航空發動機渦輪葉片等。傳統沉淀強化策略雖能通過引入納米沉淀相阻礙位錯運動來提升強度，但存在兩大問題：一是難以精準控制沉淀相的尺寸、分布及體積分數，易導致強化效果不均；二是沉淀相對再結晶行為的調控作用未被充分挖掘，無法通過多尺度微觀結構設計實現“強度-塑性”協同，極大限制了沉淀強化型合金在高端裝備領域的進一步應用。

針對上述難題，南京理工大學材料科學與工程學院高性能亞穩材料團隊提出了一種通過納米沉淀相精準調控異質結構的創新策略，成功在輕質復雜成分合金中實現了強度與塑性的“雙贏”。相關研究成果以“Enhancing strength-ductility synergy in lightweight complex concentrated alloys via nano-precipitate tailored heterostructures”為題，發表于金屬材料領域頂刊Acta Materialia, 2025, 299: 121468。論文第一作者為唐頌副教授，通訊作者為蘭司教授、唐頌副教授、寇宗德講師，陳國平碩士和芮騰碩士（博士在讀）為共同第一作者，南京理工大學為唯一通訊單位。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金面上、青年等項目資助。

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121468

研究團隊提出“納米沉淀相調控異質結構”的設計思路，通過“成分設計-工藝調控-微觀結構優化”的全鏈條創新，實現了材料性能的突破。通過調控合金中沉淀相形成元素（本文即Al/Ti）含量，利用不同含量下沉淀相的尺寸、體積分數差異及晶界/晶內沉淀相的不同特性（晶界沉淀相尺寸大、體積分數低，晶內沉淀相尺寸小、體積分數高），實現對再結晶行為的差異化調控，進而獲得從全再結晶、雙峰異質到未再結晶的多樣化微觀結構（圖1）。

依據“沉淀相形成元素含量達臨界閾值時，晶界沉淀相促進局部再結晶、晶內沉淀相通過顆粒拖拽效應阻礙晶界遷移”的核心邏輯，在AT8合金中精準調控Al/Ti含量至臨界值，使其形成細晶再結晶區域與粗晶變形區域共存的雙峰異質結構，該結構是實現強度-塑性協同的關鍵。借助納米沉淀相既作為強化相阻礙位錯運動，又作為微觀結構調控劑構建異質結構，最終讓異質結構通過異質變形誘導強化與應變硬化能力保留的協同作用，突破傳統強度-塑性權衡關系。本文提出的“納米沉淀相調控異質結構”設計方法，可推廣至鎳基高溫合金、鋁合金、BCC鎂鋰合金等其他沉淀強化型合金，為解決“強度-塑性”權衡問題提供普適方案。

圖1. (a) 由沉淀相形成元素含量調控的、不同尺寸與體積分數的析出相對再結晶動力學影響的示意圖；(b) 晶內和晶界處沉淀相特征示意圖；(c-e) 不同沉淀相形成元素含量(對應圖a)誘導完全再結晶、部分再結晶、未再結晶微觀組織的示意圖。

圖2. (a)-(c)所設計的 AT6、AT8、AT10 合金的計算相圖；(d) 退火溫度選擇原則的示意圖；(e) 基于計算相圖為三種實驗合金設計的加工路線。

圖3. AT6-H、AT8-H和AT10-H合金的(a) 反極圖（IPF）、(b) 晶粒平均取向差（KAM）圖、(c) 極圖及(d)取向差分布圖。AT6-H呈現完全再結晶特征，AT8-H呈現部分再結晶（雙峰異構）特征，AT10-H呈現變形態特征。

圖4. AT6-H、AT8-H和AT10-H合金中沉淀相(a) 明場相；(b) 暗場相; (c) 典型晶內和晶界處沉淀相特征。隨著沉淀相形成元素(Al, Ti)含量增加，沉淀相尺寸減小、體積分數增加（與同步輻射結果一致），且晶界處沉淀相尺寸顯著大于晶內。

圖5. (a) 計算得到的異質變形誘導（HDI）應力與實測屈服強度（YS）的對比圖；(b) 本研究設計的復雜成分合金與現有復雜成分合金力學性能Ashby圖。本研究設計的AT-8 合金展現出 1580 MPa屈服強度、1645 MPa 抗拉強度及～20% 斷后伸長率的最優性能，突破了傳統強度-塑性權衡關系。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持