随着科技的不断发展,低温环境下材料的性能需求日益提高,尤其在航天、深海探测、液化天然气储运以及低温能源等领域,对于既具备高强度又不失优良延展性的合金材料需求迫切。然而,传统金属材料在极寒条件下往往表现出性能的严重退化,特别是力学性能的脆化现象制约了其应用的发展。针对这一难题,科研人员持续探索新的合金设计理念与微观结构调控策略,CoNiV基合金以其独特的性能优势逐渐成为研究热点。近期发表于《自然》杂志上的研究成果,通过引入双尺度化学有序结构,成功实现了CoNiV基合金在低温环境中的强韧性显著提升,凸显了化学有序对极端环境性能的革命性影响。化学有序结构,顾名思义,是指材料内部原子在局部或较大范围内呈现出规律排列的现象。对于合金材料而言,短程有序(SRO)和长程有序(LRO)代表了不同长度尺度的原子排列规律。
传统观念认为,短程有序主要影响材料的基础强度,而长程有序则对材料的塑性和硬化机制有重要调控作用。然而,以往研究多聚焦于单一尺度的有序结构,难以兼顾强度与韧性的双重优化。在CoNiV基合金中实现双尺度化学有序结构,将短小而密集的亚纳米级SRO区与尺寸更大、分布均一的纳米级长程有序区协同存在于面心立方(fcc)固溶体内,这种结构设计突破了传统强化策略在低温下力学性能折中的瓶颈。具体而言,研究团队合成了Co32Ni32V32Al2Ti2(原子百分比)的合金,该合金经过精心控制的热处理,形成了密集的短程L11结构有序区以及纳米尺度的L12结构长程有序域。SRO区域尺寸约为0.6纳米,数量密度高达2.4×10^26每立方米,而NLRO域平均尺寸约为1.6纳米,数量密度约4.5×10^25每立方米。这种双尺度有序的协同存在,使得合金具备了优秀的强韧性平衡。
在微观机理层面,SRO结构通过减少位错自由滑移路径,提高了致密位错网络的生成阈值,从而提升合金的屈服强度。此外,纳米级LRO结构则成为位错穿行的有效障碍,促进了位错的交叉滑移与再生,增强了塑性变形期间的应变硬化能力。此现象有效释放了局部应力集中,延缓了裂纹的萌生与扩展,为材料在低温下维持高延伸率提供了重要保障。相比传统通过沉淀强化实现高强度的方法,此策略避免了因较大尺寸沉淀物带来的界面应力集中与脆性机制,显著提升了材料抗断裂韧性和整体变形协调性。实验结果显示,该CoNiV-AlTi合金在87K(液氮温度)条件下表现出约1.2GPa的屈服强度和近42.6%的断后伸长,强度与延展性的乘积达到76GPa·%。该性能远超现有多数用于低温环境的高性能高熵合金及传统合金体系。
同时,合金在该温度下的断裂韧性达到338.4MPa·m^0.5,显示出极佳的抗断裂性能。这一成果不仅体现了化学有序结构设计在微观层面与宏观性能的直接联系,也为进一步拓展复杂合金体系的性能提升提供了理论基础和技术路径。研究中还对比了只含有SRO结构或仅具备大尺寸沉淀的合金,明确了双尺度有序结构对力学性能协同优化的重要作用。单一SRO结构虽增高了屈服强度,却未显著改善应变硬化率和延展性;大尺寸约25纳米的L12沉淀虽然强化了材料,却因提高了界面应力和存在较高反相界面能,导致低温下断裂延展性快速下降。为深入理解双尺度化学有序结构对位错行为的影响,研究团队结合高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)、原子探针层析(APT)、中子衍射等多种表征手段,揭示了纳米级LRO结构阻止部分位错滑移并诱发非平面位错的形成,为后续迅速产生大量位错密度提供了位错源头。亚纳米级的SRO结构分布均匀,有效缩短了位错间距,提高了位错滑移所需的临界剪切应力。
该发现在理解多主元素合金中微观强化机制具有开创性意义,同时也为低温环境下的材料设计提供了全新视角。温度依赖性实验表明,双尺度有序结构的强化效应随着测试温度的提升而减弱,尤其是对应变硬化能力的增益在室温条件下逐渐消失。原因在于室温下材料的堆垛层错能(SFE)增高,导致位错更易发生交叉滑移和波浪式滑移,从而减弱了LRO结构对位错运动的阻碍作用。这一发现为实际应用时材料的选择与热处理工艺设计提供了关键参数,确保双尺度化学有序结构的优势能够在预期工作温度范围内最大化发挥。研究团队还拓展了该设计理念在其他中高熵合金体系中的应用验证,进一步证实了双尺度化学有序结构提升低温力学性能的普适性。通过合理调整元素组成及不同尺度有序区域的形成条件,可实现多组元复杂合金在极限温度环境中的定制优化。
总结来看,双尺度化学有序结构的引入不仅突破了传统强化机制对于韧性的限制,也为合金微观结构精细调控开辟了新途径,为极端低温应用提供了强有力的材料支撑。未来,针对不同系统元素的热力学和动力学行为深入研究,将进一步助力于有序结构定向设计及机理解析,推动高性能低温合金研发进入全新阶段。展望未来,双尺度化学有序设计理念有望与先进制造技术,如增材制造、纳米结构调控相结合,实现复杂微结构的精确制造和性能定制。此外,将该技术理念应用于高强韧、低密度材料的开发,将有效助力航空航天及能源领域对轻质耐寒结构材料的需求。通过持续强化基础研究与工程实践的结合,中国在能源装备、低温运输、空间探索等战略性新兴领域将拥有更强的材料竞争力。总之,基于双尺度化学有序结构的CoNiV基合金为应对极端低温环境的材料设计提供了创新方案,标志着复杂合金微观结构设计理念迈向更深层次的突破,其广阔应用前景令人期待。
。
