研究背景

金屬間化合物是處于金屬與陶瓷之間的一種新型材料，它成功填補了這兩種傳統(tǒng)合金之間的空檔，受到了十分廣泛的關注。作為一類獨特的材料，其擁有多種多樣的有序超點陣結(jié)構(gòu)和許多不同尋常的物理化學特性，如低密度、高熔點、反常屈服、優(yōu)異的加工硬化能力和耐腐蝕性等。因此在航空航天、能源、汽車等領域均具有廣泛的應用潛力。例如，全球航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)快速發(fā)展，尤其是高性能、高推重比航空發(fā)動機的研制，大大促進了金屬間化合物的開發(fā)與應用。比如美國的高性能F119型發(fā)動機的外涵機匣、渦輪盤都是采用的金屬間化合物，驗證機F120型發(fā)動機的壓氣機葉片和盤均采用了新的鈦鋁金屬間化合物。然而，長期以來，此類合金在實際應用過程中始終面臨著兩大技術(shù)難題：一是嚴重的室溫脆性，在較高應力條件下不可避免地發(fā)生沿晶脆性斷裂；二是較差的可加工能力，其加工工藝復雜，制造成本高，因此嚴重限制了金屬間化合物在工程領域的推廣與應用。

工作創(chuàng)新

為突破金屬間化合物材料的性能與制造的技術(shù)瓶頸，香港城市大學楊濤教授團隊和哈爾濱工業(yè)大學（深圳）趙怡潞教授聯(lián)合南方科技大學嚴明教授、韓曉東教授等研究人員，利用激光3D打印技術(shù)共同開發(fā)了Ni-Co-Si-Ti-Al-B體系化學復雜型多主元金屬間化合物，歷史上首次實現(xiàn)了L1₂類型金屬間化合物的無裂紋、高質(zhì)量以及復雜結(jié)構(gòu)的增材制造成形，并突破了其性能的極限，拉伸強度高達1.6 GPa，均勻延伸率高達35 %，遠超其他類型金屬間化合物的性能 (圖1)，相關結(jié)果發(fā)表在國際學術(shù)頂刊《Nature Communications》上。論文鏈接 (Highly printable, strong, and ductile ordered intermetallic alloy; https://www.nature.com/articles/s41467-025-56355-2)。論文的第一作者為周英豪博士后。

研究團隊同時對增材制造Ni-Co-Si-Ti-Al-B體系的微觀組織和強韌化機制進行了多尺度分析。如圖2所示，經(jīng)過一步簡單固溶處理，該化學復雜型金屬間化合物表現(xiàn)出了高度有序的晶體結(jié)構(gòu)，無偏析和雜相的形成。其中晶內(nèi)為高度有序的原子排列，原子能譜表明，Ni和Co占L1₂晶體結(jié)構(gòu)的面心位點，而Si、Al、Ti則占頂點位點。晶內(nèi)高度有序的晶體結(jié)構(gòu)可引發(fā)超晶格位錯的快速增殖、交滑移、L-C lock等獨特的變形行為(圖4d-f)，從而實現(xiàn)了優(yōu)異的加工硬化能力。更重要的是，通過調(diào)控晶界偏析元素(Co和B)，可在晶界附近形成一層納米無序?qū)?/span> (圖3)，該無序?qū)酉啾容^硬的L1₂晶內(nèi)，可承受更大的塑性應變(圖4a-c)，從而降低了裂紋形核的可能性；另外，小原子硼在晶界的偏析也顯著提高了晶界的本征強度，從而綜合提升了化學復雜型金屬間化合物在高應力條件下的延展性。

小結(jié)與展望

此項工作開發(fā)了一種Ni-Co-Si-Ti-Al-B體系化學復雜型金屬間化合物，并利用激光3D打印技術(shù)首次實現(xiàn)了此類金屬間化合物的無裂紋、高質(zhì)量增材制造，同時突破了其制造與性能的極限，對新型金屬間化合物材料的革新、增材制造及產(chǎn)業(yè)化應用均具有巨大的推動作用。

這一“前沿新材料”與“先進制造技術(shù)”制造技術(shù)的有機結(jié)合也有望大量應用于其他金屬材料的設計與開發(fā)之中，將大大促進特種高性能合金及其零部件的快速發(fā)展，為航空航天、能源化工等高尖端領域的核心技術(shù)突破發(fā)揮重要作用。

圖1 Ni-Co-Si-Ti-Al-B體系化學復雜型金屬間化合物的可打印性及力學性能

圖2 熱處理態(tài)Ni-Co-Si-Ti-Al-B金屬間化合物初始組織與相結(jié)構(gòu)

圖3 Ni-Co-Si-Ti-Al-B金屬間化合物的晶界成分及結(jié)構(gòu)

圖4熱處理態(tài)Ni-Co-Si-Ti-Al-B金屬間化合物不同應變條件下的變形機制

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