金屬材料的傳統增材制造（AM）工藝需要昂貴的高真空或超高純度惰性氣體環境，以抑制雜質導致的脆化。

北京科技大學呂昭平院士、吳淵研究員等人通過證明在惰性氣氛中環境中的微量氧和氮可以轉化為強大的原位合金元素，從而顛覆了這一范式，使得材料的強度和延展性能夠同時得到提升。在采用優化空氣摻雜工藝增材制造的Ti56Zr30Nb14中熵合金（MEA）中，屈服強度提高了67%，達到約1 GPa，拉伸延展性提高了64%，達到約18%，實現了同時提升，打破了傳統的強度-延展性權衡關系。

通過機器學習工作流程增強的原子探針斷層掃描技術，識別出了兩種不同的納米級有序間隙復合物（OICs）家族：富氧的OIC1（O-Zr-Ti）和富氮的OIC2（N-Zr-Ti）。這些復合物在塑性變形過程中，既作為高效的位錯釘扎位點發揮作用，同時又能促進位錯的大量交滑移，并激活弗蘭克-瑞德源（Frank-Read sources）。由此產生的波浪形滑移和持續的加工硬化能力，賦予材料優異的強塑協同性能。這種空氣合金化路線無需高純度惰性氣體，為制造強韌兼具的增材制造金屬材料提供了一條低成本、可擴展的途徑。

相關工作以《Strength-ductility synergy in medium-entropy alloys via harnessing trace air in additive manufacturing》為題在《Nature Communications》上發表論文。

圖文介紹

圖1 AD-AM合金的拉伸性能及其與其它材料的比較

圖1a比較了鑄態合金與Ar AM和摻空氣AM（AD3-AM）下合金的應力-應變曲線。鑄態合金屈服于600 MPa，拉伸伸長率為11%，而Ar-AM試樣屈服于686 MPa，拉伸伸長率為12%。打印態（Ar AM）合金比鑄造態合金的更高強度源于無意中加入的間隙的固溶強化：Ar AM含有0.089 wt% O和0.030 wt% N，而鑄態材料中含有0.030 wt% O和0.004 wt% N。進一步提高空氣摻雜量至AD3工藝后，合金強度突破1 GPa，同時延伸率提升至18%。Ar-AM合金有明顯的應變局部化，在屈服后立即引發快速頸縮。

圖1b對比了AD3-AM中熵合金（MEA）與多種AM合金的力學性能變化，這些對比合金的微觀結構中均含有有意或無意引入的O、N或C元素。所制備的AD3-AM合金表現出異常響應：屈服強度顯著提升67%，同時延伸率同步提高64%——這種強塑協同效應實屬罕見。圖1c顯示了AD-AM合金與文獻40-56中報道的AM低模量β-Ti生物醫學合金之間的拉伸屈服強度與延展性的比較。AD3 AM產生了令人信服的強度-延展性協同作用，賦予合金1 GPa屈服強度和67 GPa彈性模量。

圖2 AD3-AM MEA的微觀結構表征

無論空氣摻雜水平如何，AD-AM合金都保持單相BCC晶格（圖2a）；沒有氧化物或氮化物沉淀，證實所有吸收的O和N都作為原位合金元素在間隙中溶解。與鑄態的等軸組織相比，AM樣品在晶粒形態上表現出明顯但有限的差異。IPF圖像顯示Ar-AM合金僅表現出有限的外延生長，平均晶粒尺寸為112.5 μm。合金熔點高加速了凝固（冷卻速率R較大），導熱系數低降低了熱梯度（G）；因此，由此產生的低G/R比抑制了廣泛的外延生長。盡管沿著沉積方向存在較小的外延材料壓印特征，但它們的長度和寬高比仍然受到很大的限制。

AD3-AM對應物表現出幾乎相同的微觀結構特征（圖2b）。Ar-AM樣品的STEM-HAADF圖像，顯示出單相BCC結構。而圖2c為AD3-AM樣品的亮場TEM圖像和相應的SAED模式。盡管有大量的O/N吸收，但衍射數據顯示沒有納米級的氧化物或氮化物，證實了單相BCC晶格的保留。值得注意的是，在AM過程中引入的O和N原子均勻地溶解在基體中，在晶界或熔池表面沒有可檢測到的偏析，也沒有形成氧化物或氮化物。此外，只有少數稀疏的位錯線可見，沒有位錯纏結或蜂窩網絡，這是由于大光束直徑和L-DED固有的較慢冷卻所提供的殘余應力降低的結果。

三維原子探針層析成像（3D-APT）進一步揭示了Ti、Zr、Nb、O和N在亞納米尺度上的均勻分布；沒有檢測到團簇、沉淀或成分波動（圖2d）。圖2e顯示了一個集成差分相襯（iDPC）圖像，其中單個間隙原子被直接分辨出來，如圖2g中黃色箭頭所示。圖2h中經過對比度調整的STEM圖像顯示，這些黃色區域富含輕原子（Ti、Zr），而白色區域則對應于富含重原子（Nb）且無間隙的區域（圖2f）。這種對比模式表明間隙O/N原子優先與Ti/Zr結合，形成有序間隙復合物（OICs）。

文獻信息

Strength-ductility synergy in medium-entropy alloys via harnessing trace air in additive manufacturing，Nature Communications，2026.

https://www.nature.com/articles/s41467-026-72511-8

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