景行
一、【科学背景】
纳米晶金属凭借晶粒细化效应具备优异强度与硬度，但现有制备技术多仅能产出薄膜或表层纳米层，难以制备大尺寸块体纳米材料，且纳米晶普遍热稳定性差、高温易晶粒粗化，制约工程应用；高熵合金尤其是难熔高熵合金含有五种或更多元素且比例接近等原子比，拥有丰富的成分调控空间与多样化固态相变路径，是开发高强耐高温结构材料的理想体系，其中，典型难熔高熵合金HfNbTaTiZr具备复杂相演化潜力。传统析出强化合金多仅单一第二相析出，难以同时实现多类晶体结构（BCC、FCC、HCP）纳米相自组装，且大原子尺寸失配易引发界面失配位错、破坏共格关系，难以兼顾高强化效果与组织热稳定性；同时，如何通过简易、可规模化的常规热处理手段构建长程有序、完全共格的三维多相纳米骨架，以及厘清大晶格错配下的应变协调、相变演化规律，是该领域亟待解决的关键科学问题。
二、【创新成果】
近日，重庆大学陈厚文教授，美国俄亥俄州立大学王云志教授，澳大利亚莫纳什大学聂建峰教授等人以等原子比HfNbTaTiZr难熔高熵合金为研究对象，依托电弧熔炼、固溶淬火、等温时效的常规可规模化工艺，借助应变诱导旋节分解与多级固态相变，自组装形成类介晶特征的BCC/FCC/HCP三相全共格三维纳米结构。富Ta、Nb的BCC纳米畴、富Hf、Zr的FCC网络壁与HCP节点相互交织，依靠晶格弹性畸变协调高达41.4%的界面错配，相界面无失配位错，组织具备优异热稳定性。研究发现该体系存在非常规Bain、Pitsch-Schrader取向关系，还观测到仅由相变残余应变驱动的无外力再结晶全新现象。峰值时效态合金抗压屈服强度突破2 GPa，较淬火态提升约80%，同时保留可观塑性，实现强塑性协同提升。
图1550℃等温时效过程中的显微组织演变。(A)时效1小时、(B)时效8小时、(C)时效32小时、(D)时效64小时。(A)为环形明场扫描透射电镜(ABF-STEM)图像；(B~D)为高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)图像。插图(A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2)为对应标记区域的原子分辨率HAADF-STEM图。© 2026 Science
图2三相纳米结构的原子构型与元素分布特征。(A)550℃时效32h样品三相纳米组织HAADF-STEM图；(B)对应区域Ta、Nb、Ti、Hf、Zr元素EDS面扫分布图；(C)图A红框放大图，叠加柏格斯回路；(D)自组装BCC/FCC/HCP纳米结构示意图；(E、F)原子应变分布图；(G)三维结构示意图，平面FCC相铺展于BCC{001}面，棒状HCP相沿BCC{001}交线分布，将基体分割为近立方纳米胞。© 2026 Science
作者展示了合金550℃下随时间的组织演化：淬火后为单相BCC晶粒，1 h基体出现细长应变衬度，旋节分解启动；随时间延长，析出相连成网络并将BCC分割为纳米畴，32 h形成稳定网络结构，64 h网络占比提升且组织仅轻微粗化。针对32 h峰值组织表征，证实该纳米架构由富Ta、Nb的BCC基体、富Hf、Zr的FCC网络壁与HCP节点三相构成，Ti均匀分布；三相密排面连续贯通，界面无失配位错，依靠晶格畸变容纳巨大错配应变，三维上FCC与HCP相交织把BCC分割为近立方纳米胞，完整呈现全共格三相自组装纳米构型。
图3 长时时效阶段合金形貌与取向演变特征。(A)550℃时效128h合金HAADF-STEM图；(B、C)对应物相分布图与晶粒取向分布图；(D)550℃时效480h合金HAADF-STEM图；(E、F)对应物相分布图与取向分布图；(G)柱状图展示128h至480h时效后各类取向晶粒占比变化。© 2026 Science
图4三相纳米结构室温压缩力学性能。(A)淬火态与550℃时效32h峰值态合金微柱压缩应力–应变曲线；(B)本合金与其他等原子难熔复杂合金的断裂应变–抗压屈服强度对比图；(C、D)微柱压缩过程形貌变化，C为淬火试样、D为峰值时效试样；C1、D1为压缩初始状态，C2、D2为曲线上箭头对应变形点，C3、D3为压缩断裂终点。© 2026 Science
作者揭示了长时间范围内组织演变规律，128 h时组织内HCP相完全消失，仅剩余BCC与FCC两相，FCC晶粒发生细分并出现多种晶体取向；延长至480 h，FCC网络小幅粗化，近Pitsch取向晶粒占比明显提升，该晶粒取向多元化由相变储存应变驱动无变形再结晶引发。对比力学性能，淬火态合金屈服强度仅1.1 GPa，变形不均易形成剪切带；550℃时效32 h的三相纳米结构样品抗压屈服强度超2 GPa，强度提升约80%，仍保有7%塑性，变形均匀协调，其综合强塑性优于多数同类型等原子难熔高熵合金。
该工作建立了应变诱导相变调控纳米组织的新思路，为大块热稳定高强复杂成分合金的设计制备提供全新路径，以“Strain-induced fully coherent triphase nanoarchitecture in refractory high-entropy alloys”为题发表在国际顶级期刊Science上，引起了相关领域研究人员热议。
三、【科学启迪】
综上所述，该研究在难熔高熵合金HfNbTaTiZr中，利用常规热处理实现应变诱导旋节分解与多级相变，构筑兼具BCC、FCC、HCP的全共格三维三相纳米结构，突破块体纳米材料规模化制备与热稳定性差的难题。该特殊纳米架构依靠晶格弹性畸变容纳巨大晶格错配，使合金抗压屈服强度超2 GPa，兼顾塑性，同时揭示相变应变驱动无变形再结晶等全新冶金现象，完善了高熵合金应变调控相变理论。
后续可拓展多元难熔高熵合金体系，通过成分微调优化原子尺寸错配程度，进一步提升强度与高温持久性能；结合变形、热处理复合工艺调控三相形貌与比例；探究该纳米结构在高温、载荷耦合环境下的失效机制，推动其在航空航天高温承载构件领域的实际应用。
原文详情：Yu Zhang, Zhiqiao Li, Jin Xie, Xiaojun Zhao, Houwen Chen, Yunzhi Wang, and Jian-Feng Nie, Strain-induced fully coherent triphase nanoarchitecture in refractory high-entropy alloys, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec4995
本文由景行撰稿
