摘要：奈米結構材料擁有優異的綜合性能，但可規模化製備塊體三維奈米晶結構仍是一項巨大難題。本文報導了在等原子比難熔合金中，通過固態相分離自組裝形成一種類介晶、完全共格的三相奈米結構。該奈米構型同時包含面心立方、體心立方、密排六方三種典型金屬晶體相，經由應變誘導相分離，以及相分離過程自身觸發的非常規相變路徑相互交織而成。該奈米結構可適配巨大的原子尺寸差異與晶格錯配，並全程保持介面完全共格與良好熱穩定性。所得合金的壓縮屈服強度超過 2 吉帕。本研究提出一種通過調控應變誘導相變路徑，在多組元複雜合金中實現奈米結構精準設計的新思路。
背景：晶粒細化是提升晶體材料性能的成熟手段。已有研究表明，當晶粒尺寸降至奈米尺度（小於 100 奈米）時，奈米晶銅、奈米輕質合金、奈米晶鎳等材料的屈服強度與硬度會遠高於粗晶同類材料。憑藉優異性能，奈米晶結構被視作高應力、強磨損工況下結構與功能器件的理想候選材料。目前學界已開發多種物理、化學、機械工藝用於製備金屬奈米結構，主流方法包含電沉積、磁控濺射、表面機械研磨處理、大塑性變形，上述工藝可製備出晶粒尺寸低於 10 nm、性能優異的材料。但這類技術普遍存在規模化製備受限的短板：僅能製備薄膜或厚度通常小於 100 微米的表層，塊體製備尺寸極少超過 1 釐米。
奈米晶材料另一大難題是熱穩定性差，即便室溫下也會發生晶粒粗化，致使優良性能衰減。現有穩定化手段包括引入低能晶界、施瓦茨極小曲面型特殊結構、溶質偏析調控，但製備這類細化組織往往需要低溫、超快速非平衡合成等極端工藝，難以實現量產。至今仍缺乏兼具熱力學優勢、可規模化製備穩定奈米晶材料的工藝。
多組元複雜合金（CCAs，高熵合金 HEAs 是其典型分支，由五種及近等原子比元素構成）在力學性能調控方面潛力巨大，可實現高強度 （21,22）、優良強塑性匹配、高斷裂韌性與優異低溫力學性能。該類合金性能可調性源於寬廣成分區間與豐富相變路徑，僅通過簡易熱處理即可精準調控微觀組織。以 HfNbTaTiZr 為代表的難熔高熵合金物相體系複雜（詳見補充材料），為微觀結構設計提供極大自由度。
本文通過電弧熔煉、固溶、等溫時效常規熱處理工藝，在等原子比 HfNbTaTiZr 合金中製備出自組裝、完全共格三維三相奈米結構。該組織具備類介晶特徵：奈米晶粒呈周期性排布且晶體取向統一，但其形成機理與傳統介晶截然不同。該自適配奈米骨架由成分各異的體心立方（BCC）、面心立方（FCC）、密排六方（HCP）奈米晶構成，形成三維共格超結構。區別於取向附著、生物礦化等顆粒組裝型傳統介晶，本研究的奈米組織由應變誘導固態相分離，再經彈性驅動非常規固態相變生成。
該項研究成果以“Strain-induced fully coherent triphase nanoarchitecture in refractory high-entropy alloys”為題，線上發表於國際期刊《Science》。重慶大學陳厚文、俄亥俄州立大學王雲志、聶建峰為該論文通訊作者。該研究工作獲得莫納什大學工學院傑出學者項目的資助支援。
（A） 時效 1 h；（B） 時效 8 h；（C） 時效 32 h；（D） 時效 64 h。
圖 （A） 為環形明場掃描透射電鏡（ABF-STEM）圖像；圖 （B）~（D） 為高角環形暗場掃描透射電鏡（HAADF-STEM）圖像。
圖 （A）~（D） 內的插圖分別對應各圖示注 A1、A2，B1、B2，C1、C2，D1、D2 區域的原子分辨 HAADF-STEM 圖；放大插圖中疊加了所有物相的原子結構單元。
圖中白點統一設定為零原子層位置，黃、紫、紅色圓點代表零層上方的原子列。
A1~D1 插圖內黃色虛線為相介面；B2~D2 插圖中紅線代表原子面呈鋸齒堆垛排布。
電子束平行於 BCC 晶體的 [100]BCC晶向入射。
（A） 550 ℃時效 32 h 樣品中同時存在 BCC、FCC、HCP 三相奈米組織的 HAADF-STEM 圖像。
（B） 圖 （A） 區域對應的 Ta、Nb、Ti、Hf、Zr 元素能譜（EDS）面分佈圖。
（C） 圖 （A） 紅色矩形標註區域放大圖，圖中疊加伯格斯回路（Burgers circuits）。
（D） BCC、FCC、HCP 三相共存自組裝奈米結構示意圖。
（E） 圖 （A） 白色矩形區域原子應變雲圖；
εxx、εyy為以 BCC 晶格為基準的正應變。
（F） 圖 （A） 紅色矩形結點處原子應變雲圖；Δxy HCP
為僅以 HCP 相為基準計算的累積應變場；εxx、εyy為取 BCC/FCC/HCP 三相最小應變得到的累積應變雲圖；Δxy為由εxx、εyy計算得到的膨脹應變場。
（G） 片狀 FCC 相分佈於 BCC 的 {001} 晶面，棒狀 HCP 相沿 BCC {001} 晶面交線延伸，將基體 BCC 相分割為準立方奈米胞結構示意圖。
（A） 合金經 550 ℃時效 128 h 後的高角環形暗場掃描透射電鏡（HAADF-STEM）圖；
（B）、（C） 分別為圖 （A） 對應的物相分佈圖與取向分佈圖；
（D） 合金經 550 ℃時效 480 h 後的 HAADF-STEM 圖；
（E）、（F） 分別為圖 （D） 對應的物分佈圖與取向分佈圖；
（G） 柱狀圖，展示 550 ℃長時時效（128–480 h）過程中各類取向的佔比變化。
（A） 微柱壓縮應力—應變曲線：淬火態（1200 ℃保溫 5 h 後水淬）與峰值時效態（550 ℃保溫 32 h）試樣對比。
（B） 本合金與其他多種等原子比難熔複雜濃合金的斷裂壓縮應變—壓縮屈服強度對比圖。
（C、D） 微柱壓縮過程中淬火態、峰值時效試樣的形貌演變：
C1、D1 為壓縮試驗初始狀態；C2 對應圖 （A） 中藍色箭頭標註的剪下變形點；D2 對應圖 （A） 橙色箭頭標註特徵點；C3、D3 為壓縮試驗結束形貌。
（C）（D） 圖示尺長度均為 2 μm。
圖 （B） 所用全部資料詳見附表 S4。
結論：
綜上，本研究針對 HfNbTaTiZr 難熔多組元複雜合金開展研究，發現了一系列新穎微觀現象：應變誘導相分離、由相分離觸發且伴隨超大體積本征應變的結構相變，以及由相變應變而非塑性變形驅動的再結晶。上述多重過程協同作用，最終形成一種自組裝、熱穩定、相互交織的三相奈米晶組織。該奈米結構可產生顯著強化效果，使合金壓縮屈服強度突破 2 吉帕。本研究成果為通過成分設計與製備工藝調控，進一步最佳化多組元複雜合金的力學與物理性能提供了新思路。 (材料學網)