增材制造：北科大提出高温高压下高性能单相合金的最新设计方法

导读：为了帮助读者更好地理解最新的力学与仿真科研成果、技术进展以及学术动态，即日起，仿真秀APP开设一个学术专栏。欢迎科研工作者（高校老师与学生）积极撰稿。它将为广大读者提供一个学习新知、交流思想、碰撞火花的平台。我们期待通过这个专栏，能够汇聚更多专家学者的智慧力量，共同推动学术研究的进步与发展。

一、研究背景

为了解决这个问题，北京科技大学副校长、党委常委吕昭平教授、张晓宾副教授以及北京高压科学研究中心——上海分中心主任曾桥石研究员等课题组在“Nature Communications”期刊上发表了题为“Lightweight single-phase Al-based complex concentrated alloy with high specific strength”的最新论文。科学家们提出了利用高压高温（HPHT）技术来转化多个脆性相为延展性固溶体。在此过程中，他们通过高压和高温的应用，成功开发出一种单相面心立方（FCC）铝基复杂浓缩合金（CCA），例如，具有2.40 g/cm³的低密度和344×10³ N·m/kg的高比屈服强度（通常传统铝基合金约为200×10³ N·m/kg）。

二、研究亮点

（1）实验首次开发了一种低密度（2.40 g/cm³）且具有高比屈服强度（344×10³ N·m/kg）的铝基单相面心立方（FCC）复杂浓缩合金（CCA），即。通过应用高压和高温（HPHT）处理，将多个脆性相转化为延展性固溶体，成功克服了传统铝基合金中的溶解度限制问题。

（2）实验通过高压和高温处理，促使 合金在高压下形成了单相FCC结构。这一过程的关键在于高压下溶质元素与铝之间的原子尺寸和电负性差异的减少，以及高温和高压带来的协同高熵效应。

三、图文解读

图1：原铸和高压高温（HPHT）合成的 样品的表征

图2：机械性能

图3：SP-FCC Al55Mg35Li5Zn5 CCA 的变形行为。

四、结论展望

本文通过施加高压和高温，将传统上难以溶解的轻元素引入铝基复杂浓缩合金（CCA），实现了多个脆性相的转化为延展性单相固溶体。这一方法突破了铝中其他轻元素溶解度的限制，成功开发出了具有2.40 g/cm³低密度和344×10³ N·m/kg高比屈服强度的单相FCC合金，显示出显著优于传统铝基合金的机械性能。这一研究揭示了高压和高温下，溶质元素与铝之间的原子尺寸和电负性差异减少，以及高温高压下协同产生的高熵效应对单相固溶体形成的重要性。同时，纳米尺度的化学波动对提高合金强度也起到了关键作用。这些发现为进一步探索在广泛的组成-温度-压力空间内开发具有优异性能的轻量化单相CCA提供了新的思路和方法，推动了轻质高强度材料的应用研究。