在此,我们将主要聚焦于讨论上述的后一种情况。事实上,在许多情况下,这些局域化学构型会不同于热力学平衡相图中已知的中间相化合物,而且会在空间上因局域成分而异。即使是拓扑学上的同一种构型,仍可以在化学成分上呈现复杂的多样性。这样的有序区域非常微小,且不存在清晰的界面,乃至于完全不同于纳米尺度的析出第二相。这给利用透射电子显微术(TEM)进行表征与分析带来了新的挑战。通俗一点儿说,就是看不明白究竟发生了什么。显然,为了准确地描述这些CCA特有的局域化学结构特征,有必要引入新的、内涵上有别于传统的物理概念,以便于同领域的研究者在共识的语境下讨论,准确地描述先前未知的客观世界。

Figure 1 Atoms sitting on lattice sites in (a) a dilute multi-component solid solution and (b) a CCA. In the dilute solution (a), the solute atoms are surrounded by solvent atoms only, whereas in the concentrated solution (b), the local chemical environment can be diversely different.首先,需要建立一个准确的术语,来命名这些纳米尺度的实体(entity),以避免与传统的相关概念发生混淆。为此,我们推出“局域化学有序(local chemical order,LCO)”这一新的术语,见Q.J. Li,H.W. Sheng and E. Ma,Nature Communications10 (2019) 3563。更进一步的详细讨论,见E. Ma and J. Ding,Compositional fluctuation and local chemical ordering in multi-principal element alloys, J. Mater. Sci. Technol. 220 (2025) 233-244。该文将LCO定义为:1)化学上偏离随机任意溶混的亚稳态区域,空间尺度介于原子与数纳米范围;2)存在有一定程度且可波动的化学有序,但还不足以形成明确的沉淀析出相,且在目前的实验观测能力下难以判断界定;3)有序的发生一般会倾向于组成高化学亲和力的异类近邻原子对(如A-B对)。同时,既然都是化学亲和力的结果,LCO也涵盖了某一特定组元的原子(如含铜钽合金中的组元Cu)会偏析形成富集区(Cu团聚)的情况。这通常是由于合金中至少有一对组元之间的混合焓为正所致(比如Cu-Ta,即使Cu熔化了成为液态,也与Ta互斥不相混溶)。
“局域化学有序(LCO)”这一术语,其初衷所要表述的是:因组元之间的交互作用(即化学混合焓驱动)所导致的各种类型、不同程度与范围的局部化学变化与选择性。在尺度上,小至最近邻原子壳层,大到数纳米的畴域;在化学浓度配比上,从相邻晶面上某些组元贫富程度的差别,到金属间化合物析出相的晶胚(亚临界阶段,precursor)或其亚稳过渡态。LCO的核心特征在于,其化学有序的发展尚未充分完成到位(full-ordered),有序度与结构单元的特征仍存在可变的空间。由于LCO尚未达到可以析出稳定第二相的状态,尺寸还没有大到足以使原子的排列完成在三维空间上既定的化学长程有序,也就不会在电子衍射上新增成套、明锐的衍射斑点(superlattice spots in diffraction pattern)。换句话说,尚未发展成熟到可以用实验观察来进行精确解读的水平,充其量会多出个别、漫散的衍射斑。
进一步而言,LCO这一术语可以覆盖最近已经见诸文献的、用于描述CCA中结构非均匀性的不同称谓,其中颇具代表性的主要有5种。由以下讨论可见,这5种情况中的任一种,都可以视为是LCO中的一种特殊情况。换言之,LCO概念的内涵更加具有普适性。
(一)化学短程(或中程)有序(CSRO and CMRO: Chemicalshort-range or medium-range ordering)与团簇(clustering)。尽管这些概念业已流行多年,特别是被人们用于揭示非晶态合金(金属玻璃)的结构,但仍然存在理解上的不尽一致,被误用误解的情况也屡见不鲜。一般地说来,业内普遍认同的短程有序(SRO)概念所指的是:合金中的某类原子在其最近邻壳层中的元素原子存在有偏好规律与择优排列,即有(秩)序。而中程有序(MRO)则会延伸至超过1纳米(如果MRO形态是球形,可包含近百个原子)。然而,由图2中的实例可见,有些局域化学有序或者偏聚所形成的“团簇”与层状结构,会在尺度上超出上述两个范围,但仍然还不足以达到形成析出相的水平。据此,为了避免在理解上的混淆与误导,我们提出用LCO这一术语作为更为普适的概念。LCO涵盖并且起始于CSRO和CMRO,但在尺度上可以大于1纳米,或者是沿着某一平面(准二维)上发展至数纳米尺度。譬如图2中类似于沉淀硬化合金中G-P区的某些阶段(单、双层组态)。当化学有序在三维的构型都达到纳米级析出相的程度时,便超出了这里所定义的LCO范畴。换句话说,LCO两个极端的上下限分别是原子短程有序和由基体母相中析出、可明确鉴别的纳米尺度第二相。


Figure 2Examplesof typicalLCOsformedinside a concentrated solid solution.(二)有序氧复合体(ordered oxygen complexes)。这是一种尺度大约在1-2纳米、化学有序倾向较为强烈的LCO结构。见诸于基体由钛、锆、铪、铌、钽等前过渡族元素构成的CCA,同时引入原子尺寸相对较小的氧(或氮、碳,甚至于硅、硼)元素作为固溶体中的晶格间隙原子。在这类合金中,主要的金属元素与间隙原子之间具有强化学亲合力,在一定程度上已经具有方向性键合的倾向。而对于大多数不含此类间隙元素和类金属元素的CCA,因为都是典型的金属键,局域化学有序一般达不到如此稳定的化学键合状态。
(三)纳米团簇(nanocluster)。如图2中一例,这种情况可被视为LCO若干种形态之一。
(四)纳米尺度的长程有序畴(nanoscale long-range ordered domain)。发表此术语的研究者描述的是~2纳米的局域化学有序区域,其化学成分与基体相同。这个提法比较容易联想到纳米尺度的析出相晶粒,因为“nanoscale”至少可指从1纳米到10纳米这一范围,而三维的“长程有序畴”足以形成结构与化学计量比确定的析出相晶粒。
(五)局域成分波动(local compositionalfluctuation,LCF)。这一表述强调的是在化学成分上的局域非均匀,但没有反映出这种成分上的“非均匀”究竟指的是“随机统计涨落”,还是由LCO驱动所造成的起伏效果。这两种“波动”不仅在波动幅度的大小上有明显的区别,而且在物理本源上也不同。对于随机统计涨落,即使是在化学导向的元素偏好或偏聚全无的情况下,即理想固溶体中,浓质固溶体中局部(比如2纳米尺度区域)的化学成分(composition)在空间各处也并非是同一个恒定值。必然会存在有非周期性的波动,呈现局域成分的随机统计涨落,其均方差在浓质固溶体中几乎正比于元素的浓度,因而在“高熵”固溶体中这种波动相对于传统的稀固溶体会更加显著。将这种情况称为“local compositional fluctuation”较为准确。换句话说,此处“fluctuation”的物理内涵是“随机统计涨落”。然而,在CCA中,因化学作用所增强的成分起伏程度可以大大地超过“随机统计涨落”。比如,在合金中引入混合焓很负的元素后,有些区域的响应可以是趋向于B2构型的化学有序,在成分上会随着“类B2-LCO”的发生,自发地渐行渐近于等摩尔比(如以二元为例,即为50:50)。另一个极端情况是,如果发生了“调幅分解(spinodal decomposition)”,便会在化学势的驱动之下产生成分起伏波(波长为数纳米)。在这样有化学驱动力参与情况下,如果仍然沿用“涨落波动(fluctuation)”一词,则未能体现出成分起伏的态势,而且容易在物理图像的想象上造成误解。因此,在内禀随机涨落的基础之上,对于进一步因化学作用力所导致的、或者人为蓄意设计制造的成分起伏,可以改用“local compositional undulation”这种表述。注意:同是波动,undulation与fluctuation有程度和起因上的差别。选用undulation,一方面突显了相对于随机涨落而言,其成分起伏更大;另一方面也反映了因化学作用(LCO)助推带来的起伏增加,或通过人为操控设计成分梯度与调制(用来改变性能)的附加效果。
由上述分析可见,目前在CCA中所呈现的几种典型的局域化学非均匀性均可以使用LCO这一概念来更全面地概括。比LCO再高一个层次的化学非均匀性,是大家科研中经常见到的微小纳米析出相,其中更为熟知的可见于时效硬化Al-Cu合金(杜拉铝)、沉淀硬化马氏体时效钢等成熟的工程合金牌号。换句话说,LCO是在纳米第二相析出之前,固溶体内的纳米局域化学变化与偏好。或者说,是一种亚稳的过渡态或前驱体。事实上,LCO在传统合金中也存在,比如G-P区形成时的早期阶段(比如Cu元素原子的聚集、单、双层组态等)。但是,一方面,以前在原子尺度上的化学分析与结构表征手段(诸如3D原子探针、亚纳米尺度的EDS、原子尺度的计算模拟等)尚未发展到当前的成熟程度。另一方面,常规合金中通常溶质元素浓度较低,LCO的数量相对较少。而到了今天的浓质CCA时代,LCO变得更加普遍、突出,其数量与密度(体积分数)明显增大;同时,复杂性也是前所未有的,包括局域内元素间的化学配比、各元素在亚点阵(sublattice)上的占位配比,等等。
最后,材料研究最为关注的是多尺度的微观结构究竟会如何影响材料的宏观性能?那么,在CCA中出现的这些LCO结构,究竟会对合金的性能产生怎样的影响?有哪些正面积极的意义?是否有望成为新的强化与加工硬化手段?……,这些显然都是非常有趣的好问题。仅从对力学行为影响的角度来看,我们的初步研究揭示,相较于完全有序的金属间化合物析出相而言,作为位错行进障碍的LCO,更容易被形变过程中运动位错的往复滑动所摧毁。因此,如果将LCO作为一种提高屈服强度的机制,其强化效果不及依靠纳米析出相的“沉淀强化”(因存在点阵错配的半共格界面、反相畴界等)。但更值得一提的是,尽管LCO所提高的屈服强度水平仅为几十至一百MPa,LCO的复杂性(热闹、花样多),以及在空间分布上的广泛性(遍地开花),对于在动力学上延缓形变过程中的位错运动,增加它们相遇发生反应的机会,从而促进拉伸变形中的加工硬化、提高均匀延伸率,可望产生明显的效果。
总之,“局域化学有序”是多主元(浓质/高熵)合金微观结构上的一个重要特征,尺度上介于最近邻原子壳层至几纳米范围。利用现有的实验手段直接观察表征目前相当困难。其对于合金宏观性能的影响仍有待于进一步深入的研究。
关于CCA中LCO和成分起伏的详细讨论,推荐进一步阅读已发表的论文:Viewpoint article in JMST:E. Ma and J. Ding,Compositional fluctuation and local chemical ordering in multi-principal element alloys, J. Mater. Sci. Technol. 220 (2025) 233-244.