導讀：非均質層合結構（HLS）設計為利用非均質層合結構的協同效應來提高高熵合金（HEAs）的力學性能提供了新的機會。然而，由于HLS具有很強的加工硬化能力，通過劇烈的塑性變形將其引入HEAs仍然具有挑戰性。在本研究中，通過熱壓、冷軋和退火等常規熱機械加工，將一種特殊設計的多層HLS可控地引入FCC HEAs中，該HLS的特征是微晶軟CoCrFeNi層和納米超硬Al0.3CoCrFeNi層交替堆疊，其具有三相微觀結構（由納米晶面心立方基體、富（Al, Ni） B2相和富cr σ相組成）。同時，熱機械加工誘導Al元素沿層界面擴散，形成界面過渡層，相鄰的CoCrFeNi層與Al0.3CoCrFeNi層之間建立了強界面鍵合。結果表明，多層hsed CoCrFeNi/Al0.3CoCrFeNi復合材料的屈服強度高達1127±25.4 MPa，同時保持較高的斷裂伸長率（26.3±2.4）%)。這種優異的強度-延性協同效應，超過了之前報道的大多數通過精心的化學成分優化和/或熱機械加工制備的高性能整體CoCrFeNi和Al0.3CoCrFeNi HEAs。明顯的顯微組織/顯微硬度差異以及相鄰CoCrFeNi和Al0.3CoCrFeNi層之間的強界面結合，以及包括機械孿晶、層錯和析出強化在內的多種應變硬化機制的同時激活，導致了優異的強度-塑性組合。這種多層次的高強度金屬材料及其制造策略為高強度高韌性高強度金屬材料的開發提供了一種具有啟發性的方法，也可應用于其他金屬材料的高性能設計。

高/中熵合金（H/MEAs），也稱為復雜濃縮合金，由等摩爾或近等摩爾比的多主元素組成，是一類有趣的新型合金，由于具有無限的成分和相設計空間來優化其性能，引起了大量的學術興趣。在各種H/MEAs中，基于CrCoNi體系的面心立方（FCC）單相M/HEAs因其眾多吸引人的特性而受到最廣泛的研究，如極高的斷裂韌性，特別是在低溫下，出色的蠕變性能和穩定性，卓越的抗氧化和耐腐蝕性，以及極高的輻照耐受性。然而，大多數單相FCC M/HEAs的屈服強度普遍低于傳統結構金屬，這極大地限制了其作為先進結構材料的實際應用。為了解決這一問題，近年來采用了固溶強化、沉淀硬化、冷加工和晶粒細化等多種常規強化策略來提高FCC M/HEAs的屈服強度。然而，與大多數傳統合金類似，在絕大多數情況下，使用這些傳統強化方法獲得的屈服強度的實質性提高通常伴隨著由于應變硬化減弱而導致的延展性受損。例如，通過晶粒細化和納米級析出相的協同強化，單相Al0.3CoCrFeNi HEA的抗拉屈服強度可以顯著提高，從160?MPa提高到1800?MPa以上，提高了1025%，但其拉伸延展性卻大幅降低（均勻伸長率幾乎為零）。提高單相FCC M/HEAs的屈服強度，同時保持足夠高的延性對其實際應用至關重要。

近年來，提出了一種基于非均相組織設計的創新方法，并將其應用于解決金屬和合金的強度-塑性權衡問題。通過探索新的合金體系或熱機械加工路線，在金屬和合金中引入了多種非均質組織，包括雙峰晶狀組織、諧波組織、梯度組織、非均質片層組織和非均質層狀組織，以同時提高金屬和合金的強度和延展性。得到的異質結構材料通常由具有顯著力學性能的異質疇組成。異質結構材料的故意結構異質性會導致幾何上必要的位錯（GNDs）的形成，并產生額外的異質變形誘導（HDI）強化和硬化，從而產生優異的強度-塑性協同效應，這是同質組織材料無法實現的。非均質層合結構（HLS）是一種典型的非均質微觀結構設計，主要由粗晶（CGed）軟層和納米結構（NSed）硬層交替構成。這些hss被認為是原型結構，不僅因為它們具有良好的力學性能，而且因為它們具有高度可調的微觀結構；事實上，組成層的組成、界面結構、層厚度和厚度比都可以很容易地控制。由于這些優點，HLS設計已成功應用于許多類型的金屬和合金中，以實現良好的強度-塑性平衡，例如Cu, Ti , Al, Cu/Nb, Cu/Fe, Ti/Nb， Zr/Nb和孿生誘導塑性(TWIP)/低碳（LC）鋼板。

盡管HLS設計具有潛在的優勢，但只有少數研究報道了其在HEAs/ mea領域的應用，用于調整其機械性能。目前，在大塊金屬和合金中制造HLS需要采用復雜的加工方法，例如累積輥焊（ARB）。然而，由于HEAs/MEAs的組成和微觀結構復雜，其強的加工硬化效應使得HLS難以通過ARB引入到HEAs/MEAs中。激光熔融沉積（LMD）作為一種將HLS引入M/HEAs的方法最近得到了探索。然而，由于LMD過程中的熱輸入，LMD制備的hsed M/HEAs主要由微米大小的粗晶和尺寸超過1 μm的細晶交替再結晶組成，這不可避免地減小了相鄰軟/硬層之間的強度（硬度）差異，削弱了HDI強化效應對力學性能的貢獻。這導致所獲得的hsed HEAs/MEAs的整體強度明顯小于超細/納米顆粒HEAs/MEAs，盡管它們的延展性顯著提高。因此，為了最大限度地利用HDI強化效應對力學性能的貢獻，迫切需要適合于可擴展制造由CGed和NSed層交替堆疊組成的hsed HEAs/MEAs的新策略，這些hsed HEAs/MEAs的微觀結構和力學性能發生了巨大變化。

基于這些考慮，江西理工大學曾龍飛等人選擇單相FCC CoCrFeNi和Al0.3CoCrFeNi HEAs作為組成層，探索采用HLS設計來改善其力學性能的可能性。這樣的選擇有以下幾個方面的動機。首先，CoCrFeNi和Al0.3CoCrFeNi HEAs具有相似的組成元素和相同的FCC單相晶體結構，易于獲得良好結合的界面，避免在界面處形成不希望的硬脆金屬間相。其次，據報道，Al0.3CoCrFeNi HEA隨著溫度的變化經歷了一系列相變，這為設計其微觀結構和操縱所產生的性能提供了極好的機會。

采用熱壓、冷軋和退火相結合的方法將HLS引入到HEAs中。根據這一策略，首次成功地將一種由微晶CoCrFeNi層和納米晶Al0.3CoCrFeNi層交替組成的多級HLS引入到HEAs中，該HLS具有三相微觀結構（由納米晶FCC基體、富（Al, Ni） B2相和富cr σ相組成）。通過多尺度表征研究了兩組分層在熱機械加工過程中的微觀組織演變，并詳細討論了這種典型非均質結構的形成機制。與經過精心的化學成分優化和/或熱機械加工制備的高性能整體CoCrFeNi和Al0.3CoCrFeNi HEAs相比，合成的多層HLSed HEAs具有更好的強度和延展性。為了從根本上了解多層HLS設計對HEAs的變形機理、加工硬化行為和力學性能的影響，進行了系統的研究。本研究為FCC單相HEAs/MEAs的多級HLS設計提供了一種有啟發意義的方法，該方法有望在其他金屬和合金中具有較強的魯棒性和廣泛的適用性。此外，本研究的結果加深了我們對HEAs變形機制的基本認識。

相關研究成果以“Enhancing strength and ductility synergy through heterogeneous laminated structure design in high-entropy alloys”發表在Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030224010016

圖2所示。（a1-d1）低倍和（a2-d2）高倍OM橫截面圖像和（a3-d3）硬度曲線與（a1-a3）熱壓、（b1-b3）軋制、（c1-c3） 600℃退火和（d1-d3） 700℃退火Al0.3CoCrFeNi/CoCrFeNi層合復合材料界面間距離的關系。

圖4所示。（a1-a4）熱壓、（b1-b4）軋制、（c1-c4） 600℃退火和（d1-d4） 700℃退火的Al0.3CoCrFeNi/CoCrFeNi層合復合材料的EBSD結果（晶粒形貌、晶粒尺寸、晶粒取向、位錯密度和相組成）。（a1-d1） IPF圖，（a2-d2） IQ圖，（a3-d3） KAM圖，（a4-d4）相位圖。

圖6所示。600℃退火試樣界面上合金元素分布的SEM和EPMA結果。(a)界面SEM圖像。(b) Al、Cr、Ni、Co和Fe元素在界面上的分布。(c)界面上al元素梯度分布的EPMA圖。(d)界面附近CoCrFeNi和Al0.3CoCrFeNi成分層中B2-和σ-相析出示意圖。

圖8所示。(a)軋制態（綠色）、600℃退火態（紅色）和700℃退火態（藍色）Al0.3CoCrFeNi/CoCrFeNi復合材料的工程應力-應變曲線。(b)本文制備的600℃退火Al0.3CoCrFeNi/CoCrFeNi層合復合材料與文獻中具有代表性的整體CoCrFeNi和Al0.3CoCrFeNi HEAs的屈服強度和斷裂伸長率的比較。(c)軋制態（綠色）、600℃退火態（紅色）和700℃退火態（藍色）Al0.3CoCrFeNi/CoCrFeNi層合復合材料的應變硬化率和應力-應變曲線。(d) 600℃退火Al0.3CoCrFeNi/CoCrFeNi層合復合材料（紅色）、CGed整體CoCrFeNi HEAs（藍色）和Al0.3CoCrFeNi HEAs（黃色）的拉伸LUR曲線。(e) 600℃退火Al0.3CoCrFeNi/CoCrFeNi層合復合材料第1回線近景，其中σr和σu被定義。(f) HDI應力與真應變的演變。

圖10所示。（a1-a4）軋制、（b1-b4） 600℃退火和（c1-c4） 700℃退火Al0.3CoCrFeNi/CoCrFeNi層合復合材料經單軸拉伸后斷口形貌的低倍和高倍SEM圖像。（a2-c2）界面、（a3-c3） CoCrFeNi層和（a4-c4）Al0.3CoCrFeNi層的放大斷口。

本研究采用熱壓、冷軋、退火等常規熱機械加工工藝，制備了一種高性能的高性能Al0.3CoCrFeNi/CoCrFeNi復合材料，該復合材料具有特殊設計的多級HLS和強界面結合。對多層HLS的形成機理和合成的多層HLSed Al0.3CoCrFeNi/CoCrFeNi復合材料的強化機理進行了詳細的研究和討論。主要結論總結如下：

(1)采用熱壓、冷軋、600℃退火24 h的常規熱機械加工工藝，將由GSed軟CoCrFeNi層和NSed超硬Al0.3CoCrFeNi層交替組成的多層HLS可控地引入FCC HEAs中，該HLS具有納米晶FCC基體、富（Al, Ni） B2相和富cr σ相組成的三相微觀結構。

(2)熱機械加工觸發Al元素從Al0.3CoCrFeNi層擴散到相鄰的CoCrFeNi層，導致在CoCrFeNi和Al0.3CoCrFeNi組成層的層界面附近形成大量的細尺度B2和σ相，從而增強了界面結合。

(3)多層hsed CoCrFeNi/Al0.3CoCrFeNi復合材料的屈服強度高達1127±25.4 MPa，同時保持了高達（26.3±2.4）%的斷裂伸長率，具有優異的強度-塑性協同效應，優于之前報道的大多數高性能整體CoCrFeNi和Al0.3CoCrFeNi HEAs，通過仔細的化學成分優化或/和熱機械加工路線實現。

(4)較大程度的顯微組織和力學非均質性以及相鄰CoCrFeNi和Al0.3CoCrFeNi組成層之間的強界面結合，導致在塑性變形過程中激活了多種強化和應變硬化機制，包括強異質變形誘導強化、機械孿晶、層錯和b2沉淀硬化；這是合成的多層hsed Al0.3CoCrFeNi/CoCrFeNi復合材料具有優異強度-塑性組合的原因。