在高温极端服役环境中，对材料的性能提出极高的要求，尤其是对于结构件的材料而言，既要抵抗高温带来的软化，又要能够稳定提供机械性能。因此高温结构材料在航空航天、能源和先进制造领域中至关重要，传统镍基或钴基高温合金依赖L12型析出相强化，但长期在高温服役时仍然会面临性能退化的风险。近年来多主元合金（MPEAs）因高熵和缓慢扩散而在高温结构材料领域中广受关注，然而针对析出相内部的化学异质性调控机制尚不明确。

2025年11月20日，材料领域国际期刊《Acta Materialia》上发表了题为“Multiscale Mechanisms of Ta-induced Short-Range Ordering for Improved High-temperature Performance of Co-Ni-Cr-Al-Ti Multi-principal-element Alloys”的研究论文，团队在这项研究中通过引入钽（Ta）诱导L12纳米析出相中的短程有序（SRO），显著提升了Co40Ni30Cr20Al5Ti4Ta1 MPEA的高温微观结构稳定性、抗氧化性和机械性能，该合金在973K高温下，该合金的抗拉强度达到1225MPa，均匀延伸率为24%，该性能组合优于传统多晶合金，为极端环境下的高性能结构材料设计提供了新思路。通讯作者为上海交通大学金属复合材料全国重点实验室的崔宇驰副教授、陈哲教授和王晓东教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121736

【核心内容】

研究制备了Co40Ni30Cr20Al5Ti5-xTax（x=0，1）合金，通过对比Ta的有无，系统揭示了Ta在L1₂纳米析出相中诱导短程有序的关键作用。通过系统性的研究发现Ta加入后不仅抑制了晶粒和析出相长期处在1073K环境中时的粗化，还通过形成含Ta氧化物层提升合金整体的抗氧化性，更重要的是，Ta诱导的SRO重塑了平面缺陷的能量构成，促进了高温变形过程中的位错存储和应变硬化，实现了强-塑的协同提升。

图形摘要

【研究方法】

研究团队以99.9wt%的高纯元素为原料，在高纯Ar气氛中用真空电弧熔炼法制备了Co40Ni30Cr20Al5Ti5-xTax（x=0，1，分别将两种状态的合金记为Al5Ti5和Al5Ti4Ta1）合金，在熔炼过程中至少重熔五次，以确保成分均匀，随后两种合金铸锭在1423K下均化2小时以消除偏析，通过冷轧厚度减少65%后，在1423K下再结晶2min，随后在1073K下时效4h，并用油淬以减少晶间裂纹。制备完成后团队通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、原子探针断层扫描（APT）和扫描透射电镜（STEM）等手段表征微观结构和元素分布，高温氧化测试在1073K和1173K进行，评估合金的氧化动力学，高温拉伸实验在973-1073K下进行，结合DFT计算分析SRO的热力学稳定性和缺陷能量演化。

L1₂相在短程有序条件下的热力学分析模型

【研究成果】

① 微观结构与稳定性提升

Ta的添加显著增强了合金的微观结构稳定性，Ta优先分配至L1₂析出相，诱导化学异质性和短程有序，在1073K下暴露240h后，Al5Ti4Ta1合金的晶粒尺寸从16.42μm增至40.10μm，而Al5Ti5合金增至46.58μm，表明Ta的加入有效抑制了晶粒粗化，同时L1₂析出相尺寸在Al5Ti4Ta1合金中从19.7nm增至42.6nm，粗化率降低约40%，这归因于Ta减少了基体-析出相之间的界面晶格失配（从0.53%降至0.16%）并阻碍溶质扩散。

Al5Ti5和Al5Ti4Ta1合金中纳米析出物的初始微观结构

1073K下Al5Ti5和Al5Ti4Ta1合金的微观结构演化

Al5Ti4Ta1合金热暴露后L1₂纳米析出物的微观结构与成分分析

② 优异的高温力学性能

含Ta合金在高温下具有优异的力学性能，在973K下合金的屈服强度为897MPa，抗拉强度达1225MPa，均匀延伸率为24%，其强-塑积优于现有已报道的MPEAs体系，即便在1073K下，合金仍保持800MPa屈服强度和8%延伸率，而不含Ta的Al5Ti5合金在该温度下延伸率仅剩3%，显示出Ta加入后的合金抗软化性能得到明显改善。

Al5Ti5和Al5Ti4Ta1合金的高温拉伸性能

Al5Ti4Ta1合金在973K变形后的堆垛层错与位错结构

③ 强化机制的多尺度解析

Ta诱导的L1₂相中的短程有序结构呈现出较好的热力学稳定，γ=10at.%时可使SRO形成能降低约0.032eV/atom，STEM-EDS显示变形后Ta在堆垛层错附近富集，SRO调控了反相畴界（APB）能量和层错能，促进了位错-层错交互作用，同时L-C锁产生的弹性应变场阻碍位错运动，维持较高的加工硬化效应。

柱状短程有序对L1₂结构热力学性质的影响

Al5Ti4Ta1合金在973K变形后的微观结构

变形后纳米析出物的化学亚晶格占据分析

④ 抗氧化性能显著增强

氧化动力学测试表明，Kp是反映扩散动力学的速率常数，Al5Ti4Ta1合金在1173K的Kp为0.00328 mg²·cm^-4·h^-1，比Al5Ti5合金降低70%。XRD和SEM分析显示，Ta促进形成（Ti，Ta）O4等复合氧化物层，厚度从28μm减至13μm，且缺陷密度较少，这是因为Ta使氧的扩散激活能从220kJ/mol增至280kJ/mol，有效抑制氧扩散。

Al5Ti5和Al5Ti4Ta1合金的氧化动力学行为

1173K氧化后Al5Ti5和Al5Ti4Ta1合金的氧化层表征

【总结与展望】

团队通过多尺度实验与计算结合，阐明了Ta在提升MPEA高温性能中的核心作用，该研究为设计高强度、高稳定性高温合金提供了新策略，未来工作可以聚焦于蠕变性能优化和晶界工程，推动该类材料在航空航天等领域的实用化。