導讀：作為一類新興材料，具有優異熱性能和機械性能的化學復雜金屬間合金（CCIMA）是高溫結構用途的有前途的候選者。然而，這些CCIMA在中間溫度（600 800 °C）下經常出現嚴重的晶間脆化，阻礙了其大規模工程應用。在這項研究中，通過刻意定制熱機械加工，我們設計了一種層狀結構（LS）L12型Co-Ni-Al-Ti-Ta-Nb-B基CCIMA，有效地克服了這一關鍵問題。LS-CCIMA在室溫下表現出約1.0 GPa的優異屈服強度（YS），拉伸伸長率約為17%。更突出的是，它還具有 1.2 GPa的異常YS，在600至800°C的中間溫度下可接受的拉伸伸長率為 10%，優于許多其他簡單的有序金屬間化合物和傳統高溫合金。這種極好的即時溫度強度主要源于添加多種合金元素（Ti，Ta和Nb）引起的高反相邊界能量以及幾何上必要的位錯堆積。此外，我們將可接受的拉伸塑性歸因于各種變形誘導的子結構（例如，600 °C下的位錯對和800 °C下的超晶格固有堆積斷層）激活引起的塑性變形能力增加，以及層狀結構對氧誘導的晶界損傷和微裂紋擴展的抑制機制。這項工作為強而延展的耐熱CCIMAs的創新設計提供了新的途徑。

與通常具有無序原子結構的金屬材料不同，具有有序原子結構的金屬間（或超晶格）合金作為一類獨特的金屬結構材料，由于其許多有前途的功能，熱和機械性能而受到顯著關注。這些有趣的特性主要來自固有的獨特結構，如長程有序、強原子鍵和位點隔離效應。特別令人感興趣的是，這種金屬間合金表現出異常屈服行為;也就是說，屈服強度（YS）在一定溫度范圍內隨著溫度的升高而增加。人們已經接受，這種不尋常的屈服現象主要起源于Kear-Wilsdorf（K-W）鎖的形成。因此，金屬間合金有望在航空航天、航空、核電、化學加工等高溫結構應用中顯示出巨大的潛力。

然而，鑒于滑移體系數量不足和/或晶界（GBs）的內聚強度低，多晶態金屬間合金在室溫下張緊時通常承受嚴重的晶間脆化。此外，在中間溫度（例如，600 800 °C）下也經常觀察到中間溫度（例如，600 800 °C）的晶間過早失效，這是由于環境輔助的GB損傷以及應力誘導的GB裂紋的快速萌生和擴展。在過去的幾十年中，已經提出了許多延展策略來解決室溫脆化問題。人們已經認識到，非化學計量設計對于提高其拉伸塑性是有效的。例如，高杉等人 報道稱，與嚴格化學計量的 Co3Ti (A:B = 3:1) 相比，非化學計量的 Co3Ti (A:B = 4:1, Co80Ti20, at.%) 超晶格表現出 61% 的出色拉伸伸長率具有明顯的脆性。此外，間隙硼原子的添加也被用來有效抑制晶間斷裂，間隙硼原子傾向于在GBs處偏析并進一步增強其內聚強度。然而，到目前為止，如何解決它們的中溫晶間脆化仍然是一個懸而未決的問題。另外，應該提到的是，以前的研究主要集中在化學簡單的體系，包括 Ni3Al、Ni3Si、NiAl 和 TiAl 合金 ，這些合金顯示出有限的 YS。這兩個面臨巨大挑戰的關鍵問題極大地限制了它們的實際可用性。

最近，化學復雜的金屬間合金（CCIMAs）為先進結構材料的創新設計提供了新的機會。得益于長期有序結構和多種合金元素的罕見協同效應，新興的CCIMA表現出許多有吸引力的熱和機械性能。通常，這些有序合金的高強度在很大程度上取決于高反相邊界（APB）能量。有人認為，成分復雜的亞晶格占據可以顯著改變這些CCIMA的電子結構，從而調節其APB能量。大量的計算和實驗研究表明，添加Ti，Ta和Nb元素可以顯著增加Ni3Al合金的APB能量并產生顯著的強化效果。如前所述，通過在Ni3Al中加入合金元素，在環境溫度下，由于Ti添加導致APB能量增加，在環境溫度下，Ni-Co-Fe-Al-Ti-B基CCIMA獲得了 1.0 GPa的超高YS。盡管CCIMA系統已經實現了很高的室溫強度，但在中間溫度下測試時，這種不希望的過早晶間斷裂仍然是不可避免的，阻礙了其進一步的實際工程應用。

對于大多數多晶材料，調節GB字符已被接受為消除晶間脆化的有效方法。例如，有研究人員報告說，在L12強化高熵合金（HEA）中引入由變形和再結晶晶粒組成的非均質柱狀晶粒結構有效地克服了嚴重的晶間脆化，導致拉伸伸長率約為18.4%，在800°C時具有 652MPa的高YS。同樣，也有研究人員還證明了YS（486±28MPa）和拉伸伸長率（11.6±2.0%）在800°C下通過引入分層纖維狀結構在增材制造的沉淀物增強HEA中的卓越協同作用。然而，迄今為止，異質結構智慧在克服新興CCIMA的中溫晶間脆化問題的可行性尚未得到很好的探索。此外，從未報告過對CCIMA系統相關熱和機械響應的影響。

沿著這一思路，在本研究中，通過特意定制熱機械加工（TMP），香港城市大學楊濤團隊成功開發了具有層狀晶粒結構的L12型Co-Ni-Al-Ti-Ta-Nb-B基CCIMA。LS-CCIMA 在室溫下表現出  1.0 GPa YS 和  17% 拉伸伸長率的卓越組合。更重要的是，它還表現出 1.2 GPa 的超高 YS，在 600 至 800 °C 的中間溫度范圍內具有  10% 的良好拉伸伸長率。仔細研究了相關的變形子結構、加固和斷裂機理。這些發現不僅有助于提高對CCIMAs晶間脆化行為的理解，而且指導了許多先進金屬材料在高溫結構應用中的高效設計。

相關研究成果以題“Ultrahigh intermediate-temperature strength and good tensile plasticity in chemically complex intermetallic alloys via lamellar architectures”發表在國際期刊Acta Materials上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423007887                        

圖1 EG-CCIMA的微觀結構。（a）和（b）反極圖（IPF）圖和彩色圖例的插圖。（c） 相位圖。（d） 智商圖。（e） 顯示典型等軸晶粒的高爐透射電鏡顯微照片。（f）SAED圖沿[110]區軸取，確認有序的L12型晶體結構（Z.A.表示為區軸）。

圖2 LS-CCIMA的基本微觀結構。（a） 高溫拉伸試樣示意圖和EBSD觀測結果。（b） IPF圖，顯示典型的異質層狀結構。（c） 放大的IPF圖，顯示平均寬度為 5μm的層狀顆粒。（d） 高爐透射電鏡顯微照片，表明存在成對脫位。（e） WBDF圖像顯示L12有序晶粒內的超晶格位錯對，該晶粒是從g / 3g方向收集的，g = 002在[110]區域軸上。（f）識別L12型結構，由沿[110]區軸的SAED模式支撐。

圖3 EG和LS-CCIMA的XRD圖譜顯示了有序的L12型相。

圖4 我們的CCIMA的機械性能。（a）和（b）EG和LS-CCIMA在寬溫度范圍內（25°C 800°C）的典型工程應力-應變曲線。（c） LS-CCIMA的優越中間溫度YS。參考物質包括簡單有序合金和常規高溫合金。

圖5 （a）-（c）高分辨率TEM和FFT圖像揭示了無序的FCC納米層在GB附近形成。（d） STEM-EDS映射顯示了GB的Co隔離。（e） 整個大不列顛的相應化學概況表明公司明顯分離。。

圖6 EG-和LS-CCIMA在中間溫度狀態下的斷裂形態。（a）-（c）顯示了EG-CCIMA在600、700和800 °C溫度下的斷裂面，表現出典型的晶間斷裂模式。（d）-（f）在600、700和800°C下呈現LS-CCIMA的斷裂面。清楚地觀察到典型的延展性制造模式。

圖7 LS-CCIMA在長期熱暴露長達120小時后，在800 °C下具有優異的中間溫度性能。（a）在800 °C下暴露120 h后，LS-CCIMA顯示出 900 MPa的高YS，在800 °C時具有 8%的拉伸伸長率。（b）呈現典型的韌性斷裂模式以及致密的凹坑。

圖8 在800°C下進行拉伸試驗后EG-和LS-CCIMA樣品的斷裂行為。（a）斷裂的EG-CCIMA樣品的SEM圖像顯示明顯的晶間開裂。（b） 斷裂的LS-CCIMA樣品的SEM圖像在斷裂表面的橫截面上顯示出一些小的微孔，如黃色圓圈所示。（c） 智商圖。（d） 森林小組地圖。（e） 國標類型的分布。（f） 顯示GBs附近局部應力集中的KAM圖。

圖9 LS-CCIMA在中間溫度（600和800°C）下的變形子結構。（a） LS-CCIMA在600 °C下被約10%塑性應變變形的位錯構型，表明產生了許多位錯對。（b）LS-CCIMA的微觀結構在800 °C下被約10%的塑性應變變形，表現出變形誘導的高密度SISF和SISF網絡。（c） 高分辨率透射電鏡圖像給出了由SISF剪切的有序L12型相位的典型示例。（d） 含有SISF的L12型相的相應FFT圖像。

圖10 通過DFT模擬評估平面故障能量。（a） 計算出本CCIMA中APB和SISF的平面斷層能量。（b） 無缺陷L12有序超晶格（原始）、APB和SISF的結構模型。

圖11 預測 [`101] 我們開發的CCIMA中的超晶格位錯。還包括其他一些化學簡單的L12型金屬間化合物，如Ni3Al，Ir3Nb，Co3（Al，W）和Pt3Al合金。

在這項工作中，通過仔細調控TMP，我們成功設計了一種具有異構層狀結構的L12型Co-Ni-Al-Ti-Ta-Nb-B基CCIMA。該LS-CCIMA在從室溫到中間溫度的寬溫度范圍內表現出卓越的機械性能。具體而言，在室溫下，LS-CCIMA表現出約1.0 GPa的出色YS，拉伸伸長率約為17%。在600 800°C的中間溫度條件下，YS為 1.2 GPa，拉伸伸長率可觀，約為10%，表明存在異常屈服行為。超高的中溫強度主要源于高APB能量和GND的堆積。此外，可接受的拉伸塑性基本上歸因于變形誘導子結構增加的塑性變形能力，以及層狀晶粒結構對氧加速GB損傷和微裂紋擴展的抑制機制。這一發現為設計用于高溫應用的強而延展性的CCIMA提供了一種范例。