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3D科学谷洞察

“高性能金属间化合物在航空航天领域具有重要应用，如发动机叶片、燃烧室和高温部件。这种新型材料的开发可以显著提高航空航天部件的性能和可靠性。在国防领域，高性能金属间化合物可用于制造轻量化、高强韧的武器装备和防护材料，提升装备的性能和生存能力。在能源领域，如核能和太阳能，高性能金属间化合物可用于制造高温部件和结构材料，提高能源转换效率和安全性。”

研究背景

金属间化合物是处于金属与陶瓷之间的一种新型材料，它成功填补了这两种传统合金之间的空档，受到了十分广泛的关注。作为一类独特的材料，其拥有多种多样的有序超点阵结构和许多不同寻常的物理化学特性，如低密度、高熔点、反常屈服、优异的加工硬化能力和耐腐蚀性等。因此在航空航天、能源、汽车等领域均具有广泛的应用潜力。

例如，全球航空发动机结构快速发展，尤其是高性能、高推重比航空发动机的研制，大大促进了金属间化合物的开发与应用。比如美国的高性能F119型发动机的外涵机匣、涡轮盘都是采用的金属间化合物，验证机F120型发动机的压气机叶片和盘均采用了新的钛铝金属间化合物。

图1 Ni-Co-Si-Ti-Al-B体系化学复杂型金属间化合物的可打印性及力学性能

然而，长期以来，此类合金在实际应用过程中始终面临着两大技术难题：一是严重的室温脆性，在较高应力条件下不可避免地发生沿晶脆性断裂；二是较差的可加工能力，其加工工艺复杂，制造成本高，因此严重限制了金属间化合物在工程领域的推广与应用。

工作创新

为突破金属间化合物材料的性能与制造的技术瓶颈，香港城市大学杨涛教授团队和哈尔滨工业大学（深圳）赵怡潞教授联合南方科技大学严明教授、韩晓东教授等研究人员，利用激光3D打印技术共同开发了Ni-Co-Si-Ti-Al-B体系化学复杂型多主元金属间化合物。

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历史上首次实现了L12类型金属间化合物的无裂纹、高质量以及复杂结构的增材制造成形，并突破了其性能的极限，拉伸强度高达1.6 GPa，均匀延伸率高达35 %，远超其他类型金属间化合物的性能 (图1)，相关结果发表在国际学术顶刊《Nature Communications》上。

论文链接 (Highly printable, strong, and ductile ordered intermetallic alloy; https://www.nature.com/articles/s41467-025-56355-2)。论文的第一作者为周英豪博士后。

研究团队同时对增材制造Ni-Co-Si-Ti-Al-B体系的微观组织和强韧化机制进行了多尺度分析。如图2所示，经过一步简单固溶处理，该化学复杂型金属间化合物表现出了高度有序的晶体结构，无偏析和杂相的形成。

图2 热处理态Ni-Co-Si-Ti-Al-B金属间化合物初始组织与相结构

其中晶内为高度有序的原子排列，原子能谱表明，Ni和Co占L12晶体结构的面心位点，而Si、Al、Ti则占顶点位点。晶内高度有序的晶体结构可引发超晶格位错的快速增殖、交滑移、L-C lock等独特的变形行为(图4d-f)，从而实现了优异的加工硬化能力。

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更重要的是，通过调控晶界偏析元素(Co和B)，可在晶界附近形成一层纳米无序层 (图3)，该无序层相比较硬的L12晶内，可承受更大的塑性应变(图4a-c)，从而降低了裂纹形核的可能性；另外，小原子硼在晶界的偏析也显著提高了晶界的本征强度，从而综合提升了化学复杂型金属间化合物在高应力条件下的延展性。

图3 Ni-Co-Si-Ti-Al-B金属间化合物的晶界成分及结构

图4热处理态Ni-Co-Si-Ti-Al-B金属间化合物不同应变条件下的变形机制

小结与展望

此项工作开发了一种Ni-Co-Si-Ti-Al-B体系化学复杂型金属间化合物，并利用激光3D打印技术首次实现了此类金属间化合物的无裂纹、高质量增材制造，同时突破了其制造与性能的极限，对新型金属间化合物材料的革新、增材制造及产业化应用均具有巨大的推动作用。

这一“前沿新材料”与“先进制造技术”制造技术的有机结合也有望大量应用于其他金属材料的设计与开发之中，将大大促进特种高性能合金及其零部件的快速发展，为航空航天、能源化工等高尖端领域的核心技术突破发挥重要作用。

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