导读：
共晶合金在人类历史中始终发挥着关键作用，从早期青铜器具的诞生，到现代高性能焊料材料的开发，不断推动着技术的进步。近年来，共晶高熵合金因其多主元元素的设计理念与独特的相组成，展现出卓越的综合力学性能，成为金属材料领域备受关注的前沿热点。相间界面在其中发挥着至关重要的作用，由于位错在相界处的堆积，显著增强了材料的强度。然而，这一强化机制在纳米尺度下的具体表现和有效性尚未得到充分阐明。此外，受限于传统凝固工艺的冷却速率，大部分共晶高熵合金的潜力尚未完全发挥出来，开发超高强度合金仍面临巨大挑战。
近年来激光粉末床熔融增材制造技术取得突破性进展，以其极高的冷却速率有效实现了合金显微组织的显著细化，为提升材料性能提供了新路径。利用LPBF技术，在保证足够均匀拉伸应变的前提下，充分释放打印态共晶高熵合金的强度潜力，已成为满足先进工业应用需求的重要方向。为了进一步提高合金室温强度，新加坡南洋理工大学周琨教授团队通过大规模分子动力学模拟与激光粉末床熔融增材制造技术相结合的方法，系统探索了AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金体系的强化潜能。在分子动力学模拟结果指导下，该合金体系的强度潜力在临界相间距附近达到最优，成功实现了最高达1.8 GPa的室温极限拉伸强度，显著超过了当前最先进的打印态高熵合金。这些研究成果不仅深化了纳米尺度效应在合金强化机制中的基础认识，更为高性能共晶高熵合金及其他异质结构合金的材料设计提供了重要理论依据与技术策略。
该工作以“Designing Maximal Strength in Nanolamellar Eutectic High-Entropy Alloys”为题目，发表在材料领域顶刊《Advanced Materials》上。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202500149
正文简介：
AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金的原子模型如图1所示，其界面遵循Kurdjumov–Sachs半共格取向关系。通过对模型进行单轴拉伸变形后发现，随着相间边界间距减小，流动应力呈现出 Hall–Petch 关系的升高趋势。当间距减小至某一临界值时，流动应力达到最大值。模拟表明，应力‑应变曲线可分四个阶段：第一阶段，FCC 与 BCC 均为弹性变形；第二阶段， FCC 先行屈服，从相界发射位错，而BCC 尚未屈服，对 FCC 形成几何约束并诱发局部塑性应变梯度，进而在 FCC 内产生并堆积几何必需位错实现强化；第三阶段，BCC 也开始屈服并从界面发射位错，同时 FCC 中的形变层错不断增多；第四阶段，已屈服的 FCC 与 BCC 之间的异质变形持续进行，界面处几何必需位错进一步积累，导致显著应变硬化。
图1、AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金单轴拉伸变形的原子模拟。
通过跟踪几何必需位错随相间边界间距的演化，该研究发现几何必需位错在界面处成核并堆积，导致界面附近位错密度极高；当间距降至一临界值时，几何必需位错密度达到峰值并对应最大流动应力，此后再减小间距反而使几何必需位错密度降低 （如图2）。几何必需位错的增加可抵消剪切应力并提升应变硬化；同时，在Hall–Petch区域内，较大的应变梯度使阶梯位错密度随间距减小而升高。达到极限强度后，FCC 层内的位错行为发生根本转变：由堆积转为沿界面滑动的 Shockley 部分位错，它们在同一滑移面上倍增并排布，彼此作用减弱，界面被局部剪切并促进更多部分位错生成，从而削弱硬化效果。最大强度取决于 FCC/BCC 半共格界面的特性：界面中存在缓解失配应变的错配位错，可作为新的位错源；有限的层片厚度阻挡位错穿越，迫使其沿界面滑动，而高熵材料负混合热导致的元素互扩散又通过位错核扩展降低位错陷阱，进一步平滑位错运动。
图2、变形机制的原子尺度分析。
根据模拟结果，该研究采用了激光粉末床熔融增材制造技术来制备AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金。如图3所示，打印态合金呈现由双相层片构成的共晶组织，这些共晶组织沿熔池中心方向伸展，其沿拉伸方向的晶体取向呈随机分布。打印态AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金的拉伸应力-应变曲线表明，在临界相界面间距附近出现了最大拉伸强度，与模拟结果一致。进一步降低相界面间距呈现强度软化现象，导致拉伸强度下降。
图3、打印态AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金的显微组织与拉伸性能。
实验研究发现，材料的最大强度来源于变形机制的转变—从位错堆积转变为位错倍增，与模拟结果一致。在该机制下，多个平行的Shockley部分位错在塑性变形过程中沿相间边界滑移(如图4)。相比于stair-rod位错，这些Shockley部分位错因滑移面平行而相互作用减弱，从而导致潜在的强度软化现象。该变形机制明显不同于传统纳米晶材料中以晶界调控为主导的变形机制，也区别于金属多层材料中以滑移传递为主的机制。
图4、打印态AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金的的扫描透射电子显微镜图像。
通过对模拟结果中异质边界影响区的宽度进行计算（如图5），发现在Hall–Petch强化机制主导区间内，随着相间边界间距的减小，异质边界影响区所占比例逐渐增加，从而增强了FCC层片产生内应力的能力。在软化机制主导区间内，FCC与BCC层片之间的应力分担效应随着相间边界间距的减小而减弱。在此条件下，各层片逐渐失去了在不同微观结构区域间有效传递应变的能力，内部应力分布趋于均匀化，从而抑制应变强化过程。
图5、异质边界影响区及其与位错倍增诱发强度软化的起始机制。
总的来说，该研究通过大规模分子动力学模拟与激光粉末床熔融增材制造相结合，揭示了AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金的强度潜力。模拟结果表明，在临界的相间边界间距处，拉伸强度达到最大值，这主要归因于变形机制由Hall–Petch强化向位错倍增诱导的软化转变。该临界尺寸相比传统纳米晶与纳米孪晶材料中的特征尺度高出一个数量级。在模拟结果的指导下，LPBF打印的AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金体系在临界相间边界间距附近达到了接近理论强度上限（1.8 GPa），性能优于其他先进的打印态高熵合金。这项研究不仅拓展了对纳米尺度效应对材料强度影响的理解，也为解决打印态金属材料实现超高强度提供了新的路径，具有广阔的工业应用前景。
团队介绍
新加坡南洋理工大学周琨教授课题组依托于新加坡3D打印中心和惠普-南洋理工大学数字制造联合实验室，长期从事多种增材制造技术（3D打印）研究。目前聚焦于高性能新金属材料及功能聚合物复合材料研发、先进结构设计和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微观力学性能表征及其应用等。
