导读：
具有核壳结构的高熵金属间化合物（
HEI
）的研发，有望解决强度与延展性之间的矛盾难题。在此，我们成功地将稳定的双尺度
L1
2
型有序核结构引入到铸态高熵金属间化合物中，从而制备出了一种新型的具有分级核壳结构的
L1
2
型高熵金属间化合物
Ni
50
Co
25
Cr
9.5
Al
9
Ti
5
Ta
1.5
。由局部成分偏析所引发的分级核壳结构，使其具备了优异的强度
-
延展性协同性能，其屈服强度、抗拉强度和均匀伸长率分别约为
1000
兆帕、
1250
兆帕和
12%
。我们的研究表明，其出色的强度归因于显著的微观尺度析出强化以及额外的多级异质变形诱发（
HDI
）强化。此外，其良好的延展性则归因于位错的活跃运动以及显著的应变硬化能力。而且，我们还仔细研究了微观尺度下以层错（
SFs
）为主导的变形机制以及宏观尺度下的断裂机制。这项工作的目的不仅在于提升铸态
L1
2
型高熵金属间化合物的力学性能，更重要的是建立起分级核壳结构与力学性能、变形行为以及断裂机制之间的联系，从而为探索新型先进铸态结构材料开辟新的方向。
对优异的强度
-
延展性协同性能的不懈追求，推动了先进结构材料的快速发展。众所周知，强度与延展性之间的权衡困境是探索新材料过程中面临的严峻挑战，而拥有高强度与大延展性良好结合的材料，对于提高工程可靠性和能源效率而言是非常必要的。材料卓越的力学性能本质上源于对成分和微观结构的精心设计。近年来，高熵合金（
HEA
）的兴起引起了广泛关注，其独特的
“
四大核心效应
”
和
“
多种主元元素
”
为调控成分和微观结构以实现优异的力学性能提供了丰富的机会。因此，
充分利用高熵合金的特性来突破强度
-
延展性的限制是很有前景的。
尽管高熵合金具有潜力，但在实际应用中仍面临挑战。单相面心立方（
FCC
）高熵合金表现出良好的塑性，但强度相对较低，而体心立方（
BCC
）高熵合金强度较高，但塑性有限。尽管
L12
纳米颗粒强化的双相高熵合金在较宽的温度范围内展现出优异的强度
-
延展性协同性能，但其中大多数都需要诸如轧制和锻造等耗能的加工工艺。相比之下，铸造作为一种古老的制造方法，通过减少材料消耗和额外的加工步骤，提高了生产效率并降低了成本。因此，从环境和经济的角度来看，
探索能够直接铸造且具有优异力学性能的先进结构材料具有很大吸引力。
2017
年，高熵金属间化合物（
HEI
）的概念首次被提出。与因高熵效应而形成固溶体的高熵合金不同，高熵金属间化合物本质上是一种新型的金属间化合物，其微观结构中至少含有
75%
的金属间相。相应地，铸态高熵金属间化合物表现出传统金属间化合物硬而脆的特性。尽管亚晶格的多主元合金化有助于恢复一些塑性，但通过进一步优化成分和微观结构来实现更好的强度
-
延展性平衡仍然是很有前景的。例如，我们之前的工作设计了一种具有独特核壳结构的铸态
L12
型高熵金属间化合物，与那些没有核壳结构的相比，它实现了更好的综合力学性能。因此，
引入核壳结构可以有效地改善铸态高熵金属间化合物的力学性能。
分级结构在天然材料和人造材料（如复合材料和骨骼）中都存在，它涉及多个尺度的结构。在分级结构中，较高尺度的结构包含较低尺度的子结构，并且每个层次的结构等级都发挥着各自的作用，从而对整体性能做出贡献。分级结构的一个主要优点是它们能够结合高强度和良好的塑性。因此，我们试图
利用分级结构和核壳结构的思路来开发一种新型的铸态
L12
型高熵金属间化合物，以打破强度与延展性之间的权衡关系。
据我们所知，这是首次在凝固过程中将稳定的分级核壳结构引入到
L12
型高熵金属间化合物中，有望显著提高其在室温下的强度
-
延展性平衡。
在
哈尔滨工业大学刘俊奇团队
的
研究中，制备了一种具有分级核壳结构的铸态
L1
2
型高熵金属间化合物
Ni
50
Co
25
Cr
9.5
Al
9
Ti
5
Ta
1.5
，并通过扫描电子显微镜（
SEM
）、电子探针显微分析（
EPMA
）、电子背散射衍射仪（
EBSD
）、透射电子显微镜（
TEM
）、纳米压痕、单轴拉伸试验以及加载
-
卸载
-
再加载（
LUR
）拉伸试验等多种手段，深入研究了其微观结构、室温力学性能、强化和增塑机制以及变形和断裂行为。特别关注了分级核壳结构形成、强化和增塑的潜在机制。这项工作的目的不仅是为了提高铸态
L1
2
型高熵金属间化合物在室温下的力学性能，更重要的是建立起分级核壳结构与元素组成和力学性能之间的联系，从而为合成具有优异性能、可针对特定应用进行定制的先进结构材料指明新的方向。
相关研究成果以
“
Superior strength-ductility synergy in novel as-cast L12-type HEI Ni
50
Co
25
Cr
9.5
Al
9
Ti
5
Ta
1.5
with hierarchical core-shell structure
”
发表在
Acta Materialia
上
图
1.
我们所制备的铸态合金的创新性分级核壳结构：
(a)
和
(b)
扫描电子显微镜（
SEM
）图像展示了典型的铸态枝晶结构，在
(b)
的插图中可以看到稀少的枝晶间结构；
(c)
电子背散射衍射（
EBSD
）反极图（
IPF
）显示了具有不同取向的粗大枝晶；
(d)
扫描电子显微镜图像显示出明显的宏观级核壳结构；
(e)
高放大倍数的扫描电子显微镜图像表明，宏观级核壳结构是由微观级核壳结构组成的，这可以从插图中清晰地观察到；
(f)
纳米级球形核的平均尺寸分布；
(g)
创新性分级核壳结构的示意图。
表
1.
通过扫描电子显微镜
-
能谱仪（
SEM-EDS
）测定的我们所制备的铸态合金中宏观级核壳结构的化学成分。
图
2.
我们所制备的铸态合金的
X
射线衍射（
XRD
）表征：
(a)
在
10°
至
90°
范围内的
XRD
图谱，显示出单一的面心立方（
FCC
）
/L12
相；
(b)
对应于（
200
）衍射峰的解卷积图谱。
图
3.
我们所制备的铸态合金的高角度环形暗场（
HAADF
）图像以及相应的扫描透射电子显微镜
-
能量色散
X
射线光谱（
STEM-EDX
）图谱：
(a)
枝晶内部的形貌图像和元素分布图，
(b)
枝晶边缘的形貌图像和元素分布图。
表2.
通过扫描透射电子显微镜
-
能量色散
X
射线光谱法（
STEM-EDX
）测得的我们所制备的铸态合金中微观级核壳结构的化学成分。
图
4.
我们所制备的铸态
L1
2
型高熵金属间化合物在微观层面的透射电子显微镜（
TEM
）分析图像：
(a)
球状核壳结构的
TEM
明场图像以及从
[100]
晶带轴获取的球状核的选区电子衍射（
SAED
）图谱；
(b)
球状核与周围壳层之间界面的高分辨透射电子显微镜（
HRTEM
）图像，显示出它们之间的共格关系，
(b1)
和
(b2)
分别是源自球状核和周围壳层的快速傅里叶变换（
FFT
）图谱，表明球状核具有有序的
L1
2
结构，而壳层具有无序的面心立方（
FCC
）结构；
(c)
胞状核壳结构的
TEM
明场图像以及从
[010]
晶带轴获取
的胞状核的选区电子衍射图谱；
(d)
胞状核与周围壳层之间界面的高分辨透射电子显微镜图像，显示出它们之间的共格关系，
(d1)
和
(d2)
分别是源自胞状核和周围壳层的快速傅里叶变换图谱，表明胞状核具有有序的
L1
2
结构，而壳层具有无序的面心立方结构。
图
5.
通过纳米压痕实验表征我们所制备的铸态
L1
2
型高熵金属间化合物中宏观级核壳结构的硬度：
(a)
和
(b)
分别为宏观级枝晶边缘壳层和枝晶内部核心的压痕形貌，
(c)
各个区域相应的载荷
-
位移曲线。
图
6.
我们所制备的铸态
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型高熵金属间化合物的室温拉伸性能：
(a)
工程应力
-
应变曲线，显示出优异的强度
-
延展性协同性能；
(b)
相应的真实应力
-
应变曲线和应变硬化速率曲线，显示出典型的多阶段应变硬化特征；
(c)
和
(d)
我们所制备的铸态
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型高熵金属间化合物与其他含有
L1
2
型有序相的铸态合金的室温拉伸性能对比，表明在本研究中获得了更好的综合力学性能。
图
7.
我们所制备的
