创新性获审稿人点赞！新晋「中科院院士」吕昭平领衔！北京科技大学，唯一通讯单位发Nature子刊！

金属材料的传统增材制造（AM）工艺需要昂贵的高真空或超高纯度惰性气体环境，以抑制杂质导致的脆化。

北京科技大学吕昭平院士、吴渊研究员等人通过证明在惰性气氛中环境中的微量氧和氮可以转化为强大的原位合金元素，从而颠覆了这一范式，使得材料的强度和延展性能够同时得到提升。在采用优化空气掺杂工艺增材制造的Ti₅₆Zr₃₀Nb₁₄中熵合金（MEA）中，屈服强度提高了67%，达到约1 GPa，拉伸延展性提高了64%，达到约18%，实现了同时提升，打破了传统的强度-延展性权衡关系。

通过机器学习工作流程增强的原子探针断层扫描技术，识别出了两种不同的纳米级有序间隙复合物（OICs）家族：富氧的OIC1（O-Zr-Ti）和富氮的OIC2（N-Zr-Ti）。这些复合物在塑性变形过程中，既作为高效的位错钉扎位点发挥作用，同时又能促进位错的大量交滑移，并激活弗兰克-瑞德源（Frank-Read sources）。由此产生的波浪形滑移和持续的加工硬化能力，赋予材料优异的强塑协同性能。这种空气合金化路线无需高纯度惰性气体，为制造强韧兼具的增材制造金属材料提供了一条低成本、可扩展的途径。

相关工作以《Strength-ductility synergy in medium-entropy alloys via harnessing trace air in additive manufacturing》为题在《Nature Communications》上发表论文。

值得注意的是，该研究在投稿阶段，曾获得审稿人一致好评！

审稿人1认为：文章针对Ti-Zr-Nb中熵合金，利用增材制造过程中空气里的微量O、N，实现了优异的强塑性协同，研究工作极具说服力。通过在成形气氛中可控引入空气，可原位生成纳米级有序间隙复合物（OICs），同步提升合金强度与塑性，有效突破了传统材料的强塑倒置权衡关系。论文综合运用多种先进表征手段，尤其是机器学习辅助原子探针层析成像技术，实现了有序间隙复合物的识别与分类，极大提升了研究工作的完整性与深度。文章结构完整、数据翔实可靠，对高性能金属增材制造领域具有重要的指导意义。

审稿人2认为：该研究为解决传统金属增材制造面临的诸多难题提供了重要思路，包括设备运行与维护成本高昂，以及因需采用高真空或超高纯惰性气体氛围所带来的工艺窗口狭窄等问题。文章首次在增材制造过程中，向成形舱主动引入易得且低成本的微量空气。通过精确控制空气掺入量，实现了微观结构与力学性能的精准调控，获得了优异的强塑协同性能。该工作创新性极强，为材料科学与增材制造领域开辟了全新研究方向。

往期报道可见：新晋「中科院院士」吕昭平领衔！湖南大学/北京科技大学，重磅Nature Materials | 刷新合金抗拉强度记录！

图1 AD-AM合金的拉伸性能及其与其它材料的比较

图1a比较了铸态合金与Ar AM和掺空气AM（AD3-AM）下合金的应力-应变曲线。铸态合金屈服于600 MPa，拉伸伸长率为11%，而Ar-AM试样屈服于686 MPa，拉伸伸长率为12%。打印态（Ar AM）合金比铸造态合金的更高强度源于无意中加入的间隙的固溶强化：Ar AM含有0.089 wt% O和0.030 wt% N，而铸态材料中含有0.030 wt% O和0.004 wt% N。进一步提高空气掺杂量至AD3工艺后，合金强度突破1 GPa，同时延伸率提升至18%。Ar-AM合金有明显的应变局部化，在屈服后立即引发快速颈缩。

图1b对比了AD3-AM中熵合金（MEA）与多种AM合金的力学性能变化，这些对比合金的微观结构中均含有有意或无意引入的O、N或C元素。所制备的AD3-AM合金表现出异常响应：屈服强度显著提升67%，同时延伸率同步提高64%——这种强塑协同效应实属罕见。图1c显示了AD-AM合金与文献40-56中报道的AM低模量β-Ti生物医学合金之间的拉伸屈服强度与延展性的比较。AD3 AM产生了令人信服的强度-延展性协同作用，赋予合金1 GPa屈服强度和67 GPa弹性模量。

图2 AD3-AM MEA的微观结构表征

无论空气掺杂水平如何，AD-AM合金都保持单相BCC晶格（图2a）；没有氧化物或氮化物沉淀，证实所有吸收的O和N都作为原位合金元素在间隙中溶解。与铸态的等轴组织相比，AM样品在晶粒形态上表现出明显但有限的差异。IPF图像显示Ar-AM合金仅表现出有限的外延生长，平均晶粒尺寸为112.5 µm。合金熔点高加速了凝固（冷却速率R较大），导热系数低降低了热梯度（G）；因此，由此产生的低G/R比抑制了广泛的外延生长。尽管沿着沉积方向存在较小的外延材料压印特征，但它们的长度和宽高比仍然受到很大的限制。

AD3-AM对应物表现出几乎相同的微观结构特征（图2b）。Ar-AM样品的STEM-HAADF图像，显示出单相BCC结构。而图2c为AD3-AM样品的亮场TEM图像和相应的SAED模式。尽管有大量的O/N吸收，但衍射数据显示没有纳米级的氧化物或氮化物，证实了单相BCC晶格的保留。值得注意的是，在AM过程中引入的O和N原子均匀地溶解在基体中，在晶界或熔池表面没有可检测到的偏析，也没有形成氧化物或氮化物。此外，只有少数稀疏的位错线可见，没有位错缠结或蜂窝网络，这是由于大光束直径和L-DED固有的较慢冷却所提供的残余应力降低的结果。

三维原子探针层析成像（3D-APT）进一步揭示了Ti、Zr、Nb、O和N在亚纳米尺度上的均匀分布；没有检测到团簇、沉淀或成分波动（图2d）。图2e显示了一个集成差分相衬（iDPC）图像，其中单个间隙原子被直接分辨出来，如图2g中黄色箭头所示。图2h中经过对比度调整的STEM图像显示，这些黄色区域富含轻原子（Ti、Zr），而白色区域则对应于富含重原子（Nb）且无间隙的区域（图2f）。这种对比模式表明间隙O/N原子优先与Ti/Zr结合，形成有序间隙复合物（OICs）。

图3 AD3-AM合金中OICs的ML-APT表征

为解决原子探针层析成像（APT）数据中有序间隙复合物（OICs） 难以精准分辨的难题，本文通过优化研究方法，建立了ML-APT机器学习分析流程，提升了OICs的识别检测能力。图3a、d为经ML-APT表征得到的富Ti-Zr畴与富Nb畴三维分布特征，包含原生短程有序结构（SROs）、原子团簇，以及经O/N间隙原子强化形成的结构（即OICs）；其中OICs 可进一步划分为两种成分特征截然不同的类型。对应的元素分布结果如图3b、c所示，与现有文献报道规律一致。

畴区尺寸分布如图3e、h所示。本文采用归一化列联系数μ（取值 0 代表随机分布、1 代表偏离随机程度最大），从统计学上验证富Ti-Zr畴与富Nb畴存在显著非随机团簇分布特征；当实验测得μ值高于随机基准值时，即可判定其分布具有非随机性。由于SRO结构的平均尺寸约为0.7 nm，原子数少于20的团簇大多呈无序状态。因此，后续分析仅针对原子数大于20的畴区开展（图中灰色阴影区域）。富Ti-Zr畴的数量密度约为富Nb畴的5倍，这是由于合金中Ti-Zr键合倾向更强，Ti/Zr含量更高所致。富Ti-Zr和富Nb畴的典型空间分布如图3f、i所示，呈现近球形形貌。如图3g、j所示，富Ti-Zr和富Nb结构域可分为四种类型：1-3型（1型：不含间隙元素；2型：含O的间隙强化，定义为OIC1；3型：含N的间隙强化，定义为OIC2）和4型（同时含O和N）。值得注意的是，4型变异只是偶尔出现，因此在这里不予考虑。

图4 预应变及断裂态Ar-AM、AD3-AM样品沿[110]轴的变形微观结构

图4a-c显示了Ar-AM样品中位错形态的演变。在整个塑性变形过程中，平面滑移占主导地位，观察到的平面滑移带证明了这一点。一旦在有利的平面上开始滑移，连续的位错就会在相同的平面上迅速堆积，集中应力并消除加工硬化能力。与之形成鲜明对比的是，AD3-AM试样（图4d-f）显示出与平面滑移的直接偏差。在应变仅为2%时，样品中即可观察到弯曲位错环（粉色箭头）与离散钉扎位点（红色箭头），表明OICs可作为有效的位错障碍，诱发并激活位错交滑移行为。当应变达到8%时，试样中出现长直螺型位错束。断裂后，交织的位错墙呈现显著的波浪滑移与频繁的交滑移，证明变形全过程中交滑移被持续激活。

有序间隙复合物（OICs）通过双重机制促进塑性变形：1，OICs 既可钉扎位错，又能为位错提供交滑移绕障路径，从而避免应力集中；2，通过钉扎-切割作用产生新位错与点缺陷，进而提升位错增殖能力。这种协同效应在OICs强化合金中产生了特殊的强度-塑性平衡，强调了变形过程中的多尺度位错相互作用。图4g-i表征了预应变至8%的AD3-AM试样内部位错网络形貌，在不同衍射矢量（g矢量）下，六方位错网络呈现出明显的结构差异。众所周知，根据能量最小化原理，位错滑移会优先沿密排面和密排方向进行，以降低体系能量。

两个可滑移的1/2<111>位错可发生反应，生成不可动的<001>位错。如图4j-l所示；该过程会形成亚晶界位错列阵。这类位错列阵能够释放晶界应力，并可作为Frank-Read源实现位错增殖。该结构通常构成初始小角度晶界，为位错跨越晶界提供滑移传递通道，可有效缓解晶界处的应力集中与位错塞积现象。

图5 原位O/N合金化示意图、OICs演化及变形机制

本研究提出的空气掺杂增材制造工艺，可将空气中的O、N转化为可控合金化元素。每一道熔覆过程首先捕获空气中的N₂与O₂（图5a）；随后在快速凝固阶段，O、N原子固溶进入基体，同时在试样表面生成一层过渡膜（图5b）。在后续多层熔覆过程中，前道形成的表面薄膜在循环热作用下发生重熔，重新回溶进入基体，实现间隙元素成分均匀化；同时新熔覆层再次与空气发生反应（图5c）。在沉积合金内部，提高空气掺杂量可增大O、N的引入含量；反复的热循环进一步诱导析出两种不同类型的有序间隙复合物（OICs）（图5d-f）。

在AD-AM过程中引入增加的OICs显著调节了随后塑性变形中的位错行为和变形机制。在初始应变过程中，形成线性位错阵列，其中位错滑动被OICs固定（图5g）。渐进应变引起广泛的交叉滑移，减轻了塑性变形过程中的应力集中。此外，OICs作为Frank-Read源，不断释放位错，增强位错增殖，提高加工硬化能力（图5h、i）。

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