摘要：科学方舟：追踪科学前沿突破，解析技术转化路径，为科研工作者提供硬核知识图谱。长三角G60激光联盟陈长军转载热忱欢迎参加我们在2025年9月23-25日举办的第三届深圳eVTOL展和激光在低空经济中的应用大会（9月24日

科学方舟：追踪科学前沿突破，解析技术转化路径，为科研工作者提供硬核知识图谱。

长三角G60激光联盟陈长军转载

热忱欢迎参加我们在2025年9月23-25日举办的第三届深圳eVTOL展和激光在低空经济中的应用大会（9月24日

通过引入位错和沉淀相已被证实是提高金属材料力学性能、突破强度-塑性权衡关系的有效方法。然而，在金属材料中同时实现高密度位错与高体积分数沉淀相的共存仍具挑战性。

本研究利用三维（3D）打印技术，成功在高熵合金（HEA）中实现了高密度位错结构与高体积分数韧性纳米沉淀相的协同调控。这种3D打印的高熵合金具有独特的位错-沉淀骨架（DPS）结构，其中DPS包裹着高密度韧性纳米沉淀相，其抗拉强度高达~1.8 GPa，同时延伸率可达~16%。超高强度主要源于位错-沉淀协同强化，而高塑性则归因于多重堆垛层错（SF）结构的动态演化。DPS不仅能减缓应变过程中位错的运动而不完全阻碍其迁移，更重要的是在变形过程中保持优异的结构稳定性，避免了因边界应力集中导致的过早失效。

DPS的形成为金属基3D打印技术制备高性能材料提供了新思路，也为进一步优化合金性能开辟了高效路径。

1. 位错-沉淀骨架（DPS）结构的首创设计
通过3D打印技术在高熵合金中首次实现高密度位错网络与高体积分数韧性纳米沉淀相（OMCNP）的协同调控，形成独特的DPS结构。该结构在变形过程中既能减缓位错运动，又保持优异的结构稳定性，避免了应力集中导致的失效。

2. 超高强度与高塑性的协同突破
DPS结构使材料抗拉强度达~1.8 GPa，延伸率~16%，突破了传统强度-塑性的权衡关系。超高强度源于位错-沉淀协同强化，高塑性则归因于多重堆垛层错（SF）的动态演化机制。

3. 3D打印工艺的创新应用
利用3D打印的高冷却速率（10³–10⁶ °C/s）和温度梯度，直接形成热稳定性高的位错网络，为后续热处理中沉淀相的高效析出奠定基础，为高性能金属材料的制备提供了新思路。

高熵合金（HEAs）作为一种新型结构材料，通常由五种或以上近等摩尔比的元素组成。这种独特的化学成分通过增加混合构型熵贡献来克服化合物形成的焓值，从而有利于形成稳定的固溶体相。此外，HEAs还具有扩散迟缓、晶格畸变和“鸡尾酒效应”等特性。这些协同效应不仅体现在热电响应和磁学行为中，更显著影响了其力学性能。然而，如何同时提升HEAs的强度与塑性仍是一个重大挑战。

目前，通过引入位错或沉淀相可缓解HEAs中强度与塑性的互斥问题。位错强化需使位错密度达到特定量级（10¹⁵–10¹⁶ m⁻²）才能显著提升材料强度，通常通过剧烈塑性变形实现。然而，变形过程中位错动态湮灭和加工硬化能力的饱和限制了强度的持续提升。另一方面，沉淀相虽能提高强度，但通常会牺牲塑性。不过，通过调控沉淀相的类型、结构、尺寸和体积分数，某些合金可实现强度与塑性的同步提升。然而，受成分和工艺限制，沉淀相的最大体积分数和尺寸分别约为55%和数十至数百纳米，其强化效果仍存在瓶颈。

若能在HEAs中同时引入位错与沉淀相强化机制，则有望突破强度-塑性的权衡关系。但高密度位错与高体积分数沉淀相的共存极具挑战性：沉淀相的形成需复杂热处理和塑性变形，而此过程会显著降低甚至消除位错密度。传统加工技术难以实现这两种机制的协同调控。

近年来，激光三维（3D）打印技术因其大温度梯度（10³–10⁶ °C/s的冷却速率）等特点，可形成细晶组织、微纳亚晶结构和位错网络等。3D打印生成的位错结构具有高热稳定性，能确保后续热处理中不被破坏。本研究采用3D打印技术，在高熵合金中成功构建了高密度位错网络与高体积分数韧性纳米沉淀相共存的独特位错-沉淀骨架（DPS）结构，实现了超高强度（~1.8 GPa）与良好塑性（~16%）的协同提升。DPS结构通过位错-沉淀协同强化机制提升强度，并通过多重堆垛层错（SF）网络的动态演化维持塑性，为高性能金属材料的制备提供了新思路。

图1. (a) 预合金化气雾化金属粉末的扫描电子显微镜（SEM）图像。(b) 单个球形预合金化气雾化金属粉末的SEM图像。(c) 预合金化气雾化金属粉末的粒径分布图。(d) 显示预合金化气雾化金属粉末相组成的XRD图谱（a.u.，任意单位）。(e) 3D打印样品（3D-FCNAT）构建过程的示意图，包括熔融粉末凝固、成核生长以及原始狗骨状拉伸样品的3D打印过程。(f) 抛光表面（水平方向，垂直于3D打印构建方向）的光学显微镜（OM）图像。(g) 具有亚晶结构的3D-FCNAT的SEM图像。(h) 从亚晶内部到边界的各元素能量色散谱（EDS）成分分布曲线。(i) 显示3D-FCNAT相组成的XRD图谱。

图2. (a) 3D-FCNAT中Fe、Co、Ni、Al和Ti原子的三维原子探针断层扫描（3D APT）重建图像。(b) 沿绿色箭头标记方向的圆柱体（直径10 nm）内的一维（1D）浓度分布图，显示所有元素的分布。

图3. (a) 3D-FCNAT的逆极图-z（IPF-z）映射，显示大于15°的高角度晶界，图中嵌入IPF图例。(b) 3D-FCNAT的(100)极图（PF）。(c) 3D-FCNAT的晶粒尺寸分布及平均晶粒尺寸。(d) 3D-FCNAT780的IPF-z映射，显示大于15°的高角度晶界，图中嵌入IPF图例。(e) 3D-FCNAT780的(100)极图。(f) 3D-FCNAT780的晶粒尺寸分布及平均晶粒尺寸。

图4. (a) 3D-FCNAT的核平均取向差（KAM）映射，显示大于15°的高角度晶界。(b) 3D-FCNAT的局部取向差及相对比例。(c) 3D-FCNAT的KAM映射局部放大图（扫描步长设置为30 nm）。(d) 3D-FCNAT780的KAM映射，显示大于15°的高角度晶界。(e) 3D-FCNAT780的局部取向差及相对比例。(f) 3D-FCNAT780的KAM映射局部放大图（扫描步长设置为30 nm）。

图5. (a) 3D-FCNAT780的中子衍射（ND）谱。(b) 3D-FCNAT780的明场（BF）扫描透射电子显微镜（STEM）图像，显示高密度位错（HDDs）网络结构。插图为从[011]晶带轴获取的选区电子衍射（SAED）图谱。(c) 3D-FCNAT780的BF STEM图像，显示由DOMCM和OMCNP组成的亚晶结构。插图为从[001]晶带轴获取的SAED图谱。

图6. (a) 3D-FCNAT780的BF STEM图像，显示HDDs网络及位错缠结。(b) 亚晶边界处的HDDs及位错缠结，对应的EDS图谱显示亚晶边界无元素偏析。

图7. (a) 3D-FCNAT780的BF STEM图像，显示由OMCNP、DOMCM和少量L2₁相组成的亚晶。(b) 局部亚晶特征区域的放大图。(c) L2₁相的高分辨高角度环形暗场（HAADF）-STEM图像。(d) 图c对应区域的快速傅里叶变换（FFT）图谱，显示L2₁相的超晶格结构。

图8. (a) 高分辨HAADF-STEM图像，揭示L1₂型有序多组分纳米沉淀（OMCNP）和FCC无序多组分基体（DOMCM）的界面共格性，以及OMCNP和DOMCM的成分分布EDX图谱。右侧图像为对应的FFT图谱。(b) 原子分辨率HAADF-STEM图像及对应的EDX图谱，显示OMCNP中Fe、Co、Ni、Al和Ti的原子分布及占位。(c) 由OMCNP和HDDs网络组成的位错-沉淀骨架（DPS）结构示意图。

图9. (a) DPS架构的三维原子探针（3D-APT）针尖重建图。(b) 跨越DPS架构中OMCNP和DOMCM区域的元素一维浓度分布图。(c) DPS包裹区域的三维原子探针针尖重建图。(d) 跨越DPS包裹区域中OMCNP和DOMCM的元素一维浓度分布图。(e) DPS架构中OMCNP的尺寸分布（基于TEM分析数据）。(f) DPS包裹区域中OMCNP的尺寸分布（基于TEM分析数据）。(g) 从图c的针尖重建中选择一个20×20×20 nm的立方体区域，显示高分辨率原子和二维成分分布图（等浓度面以Ti原子比例6%构建）。

图10. (a) 3D-FCNAT与3D-FCNAT780的拉伸应力-应变曲线，并与铸态FeCoNi基合金对比[39]。(b) 3D-FCNAT780拉伸断裂全貌（蓝色虚线区域为局部放大图），断口显示明显塑性变形及微孔聚集型断裂形貌，表明超高强度与良好塑性的优异结合。(c) 3D-FCNAT和3D-FCNAT780的拉伸性能与其他增材制造（AM）高强度金属材料的对比[40-56]，展示抗拉强度与均匀延伸率的关系。

图11. (a) 未变形态DPS结构的透射电子显微镜（TEM）图像。(b) 应变ε~4%时DPS结构的TEM图像。(c) 应变ε~9.5%时DPS结构的TEM图像。

图12. (a) 应变ε~4%时3D-FCNAT780的TEM暗场（DF）图像（插图为[011]晶带轴的选区电子衍射（SAED）图谱）。(b) 应变ε~4%时3D-FCNAT780的TEM明场（BF）图像，显示堆垛层错（SFs）。(c) 高分辨透射电镜（HRTEM）图像清晰显示OMCNP与DOMCM相界（蓝色虚线标记SFs）。(d) 应变ε~9.5%时3D-FCNAT780的TEM暗场图像（插图为[011]晶带轴的SAED图谱）。(e) 应变ε~9.5%时OMCNP与DOMCM的HRTEM图像。(f) 图e对应区域的HRTEM图像，显示纳米间距SFs网络。(g) HRTEM图像显示多重SFs（黄色箭头）。(h) HRTEM图像显示分级SFs网络（黄色箭头）和L-C锁（红色虚线区域）。(i) 图h对应区域的FFT图谱（红色箭头指示交叉衍射条纹，证实相交SFs的存在）。

图13. (a) 应变ε~4%时高角度晶界（>15°）的IPF-z映射图。(b) 应变ε~4%时0-5°取向差的KAM映射图。(c) 图b红色框内KAM局部放大图。(d) 应变ε~9.5%时高角度晶界（>15°）的IPF-z映射图。(e) 应变ε~9.5%时0-5°取向差的KAM映射图。(f) 图e红色框内KAM局部放大图。

本研究通过3D打印技术在高熵合金（HEA）中成功构建了独特的位错-沉淀骨架（DPS）结构，实现了高密度位错网络与高体积分数韧性纳米沉淀相（OMCNP）的协同调控。DPS结构使材料表现出卓越的力学性能，其抗拉强度达~1.8 GPa，延伸率为~16%。超高强度主要源于位错-沉淀协同强化机制，而高塑性则归因于多重堆垛层错（SF）结构的动态演化。DPS不仅能减缓位错运动以避免过早失效，还通过保持结构稳定性有效抑制了边界应力集中。

DPS的形成机制与3D打印过程中产生的高密度位错网络及其热稳定性密切相关。位错核心区域的高应变和快速扩散特性促进了OMCNP相的优先析出，而多主元合金中Al、Ti元素的偏析进一步强化了溶质拖曳效应，驱动了纳米沉淀相在DPS中的均匀分布。此外，OMCNP与基体（DOMCM）之间极低的晶格失配（~0.17%）确保了界面共格性，从而提升了材料的结构稳定性。

与传统加工技术相比，3D打印结合后续热处理的工艺为同时引入位错强化和沉淀强化提供了新思路。DPS结构的成功设计不仅拓展了金属基3D打印在高性能材料制备中的应用潜力，也为突破强度-塑性权衡关系提供了高效路径。未来研究可进一步探索DPS结构在其他合金体系中的普适性，并优化工艺参数以实现更广泛的性能调控。

长三角G60激光联盟陈长军转载

热忱欢迎参加我们在2025年9月23-25日举办的第三届深圳eVTOL展和激光在低空经济中的应用大会（9月24日

来源：江苏激光联盟