資助成果

在國家自然科學基金項目（批準號：51671168）等的資助下，浙江大學電子顯微鏡中心余倩教授團隊和美國喬治亞理工學院的Ting Zhu教授、加州大學伯克利分校的Robert. Ritchie教授等合作，在高熵合金本征變形機制方面取得重要進展，發現了合金元素的濃度波調控機制，并實現了材料力學性能的調控。相關成果以“Tuning Element Distribution, Structure and Properties by Composition in High-entropy Alloys”（高熵合金成分調控下的元素分布、微結構和性能）為題，于2019年10月10日在Nature（《自然》）上發表。

高熵合金是合金家族近年來出現的新成員，通常是由多種元素以近乎等比例的配比混合而成的固溶體，因其獨特且優越的性能受到科學界的廣泛關注。特別是部分高熵合金可以同時具備高強度和高塑性，從而打破了傳統金屬中強度與塑性難以兼得的困境。最新科學研究發現，與傳統合金相比，高熵合金內部各元素的分布存在明顯的濃度起伏，這對它的高強高塑性起到了決定性的作用。因此，準確認識高熵合金中高強高塑性背后的本征原因將幫助我們找到高效的強韌化機理，有利于材料性能的優化設計和高性能合金的研發。

余倩教授及其合作者首次利用原子尺度的元素表征，發現了高熵合金中獨特的濃度波起伏。相比于傳統固溶體合金中在晶格尺度趨于平直的元素濃度波起伏，在高熵合金中，即使是CrMnFeCoNi合金也存在各種元素的濃度在晶格間25%到15%的震蕩。這樣的濃度起伏會帶來納米尺度晶格阻力的震蕩和局域層錯能的變化。進而，通過在保證完全固溶的前提下增加元素間電負性和原子大小的差異，制備了濃度起伏在60%到0之間的CrFeCoNiPd合金。由于濃度波的波幅大大增加，室溫下材料塑性變形方式從傳統的不全位錯滑移、全位錯滑移、孿晶變形等轉變為大量均勻分布的交滑移為主導的變形方式（如圖所示），同時材料的力學性能與CrMnFeCoNi合金相比，在保證相當水平的塑性變形能力的情況下，強度顯著提高。該研究揭示了高熵合金中調控力學性能的特殊機制，與傳統的界面調控（包括晶界、相界、第二相界面等）以及團簇等結構調控相比，高熵合金中獨特的濃度波調控極為精細并具有連續性，是一種可控和高效的合金材料強韌化方法。

圖 a. CrFeCoNiPd合金中元素分布的EDS Mapping; b. CrFeCoNiPd合金晶格中元素濃度波起伏； c. Pair-correlation分析； d. CrFeCoNiPd合金變形方式為大量交滑移