中物院李晋锋、大连理工王清，港城大栾亨伟、吕坚等《Acta Materialia》：增材制造诱导化学中程序实现BCC基多主元合金强塑性协同

近年来，调控局域化学有序（Local chemical ordering）结构被视为破解金属强塑性权衡难题的有效途径。如何在材料成形阶段原位构筑局域化学有序结构与有效调控，进而同步实现强度与塑性协同增益，仍是该领域亟待攻克的关键科学问题。针对上述挑战，本文借助激光粉末床熔融（LPBF）增材制造独特的非平衡成形特征，在不依赖后续复杂热处理的前提下，于BCC基多主元合金中原位构建稳定化学中程有序（CMRO）结构。CMRO结构可有协调同强度与塑性之间的竞争关系，实现BCC基多主元合金优异的强塑性协同。该研究不仅为高性能BCC基多主元合金成分—组织设计提供新思路，同时为利用增材制造技术调控亚稳态微观组织开辟全新技术途径。

中物院材料所李晋锋副研究员，与大连理工大学王清教授和香港城市大学栾亨伟博士，吕坚院士等在《Acta Materialia》发表题为“Enhancing the strength and ductility of an additive-manufactured body-centered-cubic multi-principal-element alloy by chemical medium-range order”最新研究，成功通过激光粉床熔融增材制造(LPBF)技术在BCC基多主元合金直接引入化学中程序(CMRO)实现合金强塑性协同！

激光增材制造直接构筑CMRO结构

研究团队设计了新型Al2Ti7Zr2Nb5BCC基多主元合金，结合LPBF快速凝固特点，在无需复杂热处理的情况下，成功获得了均匀弥散分布的纳米尺度CMRO结构。借助球差校正透射电镜（AC-TEM）和三维原子探针（APT）等先进表征技术，揭示了CMRO的原子尺度结构特征：CMRO区域尺寸约为1.6 nm，体积分数约20%，并与BCC基体保持共格关系。

图1.激光粉床熔融增材制造小样本合金库和筛选最佳工艺宽口。

图2.增材制造MPEA微观结构表征。

图3.增材制造MPEA中的化学中程序结构和元素分布的多尺度分析。

图4.化学中程序的APT表征结果。

突破BCC合金“高强低塑”瓶颈

得益于CMRO结构的引入，LPBF制备的合金表现出优异的综合力学性能。该合金的拉伸屈服强度达到1023 MPa，同时保持32%的延伸率，其中均匀延伸率达20%，比屈服强度为176 MPa·g⁻1·cm3，特别是断裂韧性达158 MPa·m1/2，突破了BCC基多主元合金强韧性倒置瓶颈。并且，873 K仍保持700 MPa屈服强度；973 K保持520 MPa屈服强度。与传统铸态合金和其它增材制造的FCC和BCC合金相比，该材料成功突破了BCC多主元合金长期存在的强度-塑性权衡关系（strength-ductility trade-off），同时兼具优异的高温承载能力。

图5.增材制造MPEA的力学性能。

揭示CMRO实现强塑性协同的内在机制

进一步结合相场模拟、多尺度TEM电镜观察及原子尺度应变分析，系统揭示了CMRO的形成机制及其强化增韧机理。研究发现：LPBF快速凝固抑制了长程扩散，使CMRO能够稳定保留；位错能够剪切穿过纳米CMRO，而非绕过析出物；随着CMRO逐渐被剪切，其局域化学有序被破坏，进一步增强晶格畸变，促进弹性应变积累和位错碎片形成；由此激活动态加工硬化和多滑移系变形，使塑性变形更加均匀，并维持持续的加工硬化能力。这一研究建立了“LPBF快速凝固—CMRO形成—位错调控—强塑性协同”之间的完整结构—性能关系，为BCC基多主元合金设计提供了新的理论基础。

图6.相场模拟。

图7.增材制造MPEA的变形机理。

图8.增材制造MPEA的变形机理。

【研究意义】

本研究首次实现了利用激光增材制造直接构筑化学中程序(CMRO)结构，并系统揭示了其形成机制及对力学性能的调控规律，为突破BCC基多主元合金“高强低塑”瓶颈提供了新的设计思路。

这一成果不仅为高性能耐高温多主元合金的发展提供了新的组织调控策略，也为增材制造调控亚稳组织结构开辟了新的研究方向，在航空航天、高端装备及能源动力等领域具有广阔的应用前景。

【主要作者及通讯作者介绍】

蔡选鸿博士生（第一作者）；中国工程物理研究院材料研究所和大连理工大学联合培养博士生。主要研究方向为高熵合金及激光增材制造。

栾亨伟博士（共同第一作者，通讯作者）；现为香港城市大学博士后，导师为吕坚院士。2016年获清华大学学士学位，2022年获清华大学博士学位，师从姚可夫教授。主要研究方向为高熵合金、非晶合金及人工智能+材料等。累计发表学术论文40余篇，近5年以第一作者（含共同）及通讯作者身份在Nature Communications（2篇）、Acta Materialia（2篇）、Advanced Science、JMST等期刊发表多篇高水平论文。论文总被引2300余次，H指数22。个人主页：https://www.researchgate.net/profile/Hengwei-Luan。

王清（通讯作者）；大连理工大学教授。长期从事AI赋能材料设计与先进材料研发方面的工作，包括高温合金、特种高温不锈钢、高熵合金/陶瓷等，并将多尺度模拟计算方法与自主研创的团簇式设计方法相结合，更加高效地发展高性能特种材料。在Adv. Mater.、Acta Mater.等学术期刊上发表了SCI论文百余篇，授权专利30多项；主持多项国家级科研项目；担任中国金属学会材料科学分会等多个委员会委员；获辽宁省优秀博士学位论文指导教师等多个称号。

李晋锋（通讯作者）；副研究员，2015年毕业于清华大学材料学院。长期聚焦“高毁伤含能高熵合金毁伤元性能调控”领域，围绕高熵合金成分设计及其冲击释能机制开展了系列创新性基础研究。迄今在Adv. Sci.、Appl. Phys. Lett.、Corros. Sci.、Mater & Design.、Scripta Mater.、J. Mater. Sci. Technol.等国际权威期刊发表SCI论文70余篇。近五年主持核科学挑战专题项目1项、国家重点项目课题2项、国家自然科学基金面上及青年项目各1项、四川省重点研发计划1项，以及中物院院长基金、创新基金等科研项目10余项。

吕坚院士（通讯作者）；法国国家技术科学院（NATF）院士、香港工程院院士、香港材料研究会理事长（HKMRS）、香港城市大学机械工程系讲座教授、工学院院长、国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任、先进结构材料中心主任。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的设计、制备和性能，图灵及高熵合金催化剂，超高灵敏度表面增强拉曼光谱（SERS）及其应用等。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。已取得84项欧、美（50项）、中发明专利授权，在本领域顶尖杂志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials等专业杂志上发表论文580余篇，引用五万余次。个人主页：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian。

【文章信息】

Enhancing the strength and ductility of an additive-manufactured bodycentered-cubic multi-principal-element alloy by chemical medium-range order, Xuanhong Cai†, Hengwei Luan†⁎, Congcong Ren, Liufei Huang, Ben Niu, Xiaojun Zhao, Zhenhua Wang, Yang Shao, Kefu Yao, Junhua Luan, Xingwang Cheng, Qing Wang⁎, Jinfeng Li⁎, Jian Lu⁎, Acta Mater. 122578 (2026); doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122578.

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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