结合高强度和高延展性的结构材料对于确保工程可靠性和提高能源效率至关重要[[1], [2], [3]]。然而，在材料设计中一直存在一个矛盾：强度和韧性往往是相互排斥的，因此同时实现两者非常具有挑战性。这种“强度-韧性权衡”已成为高性能结构材料发展的主要瓶颈[[4], [5], [6], [7], [8]]。Fe-Al金属间化合物因其较高的比强度、优异的抗氧化和抗腐蚀性能以及在高温下的优异机械性能，已成为下一代轻质高温结构材料的首选候选材料[[9,10]]。此外，它们丰富的原材料也进一步增强了其吸引力。Fe-Al金属间化合物由于具有更好的蠕变抗性，有潜力替代发电用超超临界蒸汽涡轮机中的重型昂贵高级钢[[11]]。除此之外，它们还可以在航空航天和运输应用中替代不锈钢和镍基超合金，从而实现关键组件的轻量化和性能提升[[12,13]]。然而，Fe-Al金属间化合物在室温下的脆性问题仍未得到解决，这对其实际工程应用构成了重大障碍。这种脆性常常导致灾难性故障而毫无预警，而缺陷放大效应加剧了应力集中敏感性，使机械加工和成形变得复杂[[14], [15], [16], [17], [18]]。因此，提高Fe-Al金属间化合物的延展性和韧性以实现高强度和高韧性的平衡是一个亟需解决的关键挑战，以加速其在工程应用中的普及。
为了提高Fe-Al金属间化合物的塑性和韧性，研究人员对其改性进行了大量研究。有效的方法主要包括合金化、复合化和晶粒细化。这些方法在一定程度上可以提高Fe-Al金属间化合物的强度和韧性，尽管它们仍存在某些局限性。在合金化策略中，添加适量的合金元素可以设计Fe-Al金属间化合物的微观结构，从而产生沉淀强化和固溶强化等强化效应[[19]]。主要的过渡金属元素可以根据其在Fe-Al金属间基体中的作用进行分类：Cr[20]、Mn[21]、Co和Ti[22]与Fe-Al基体完全互溶；高熔点元素如W[23]和Mo[24]则不溶于基体；而Nb[25]、Ta、Zr[26]、Hf和Re在基体内形成第二相。大多数关于Fe-Al金属间化合物合金化的研究都集中在形成固溶体的元素上，而对Nb、Ta和Zr等第二相形成元素的微观结构和机制的研究较少[[27], [28], [29], [30]]。复合设计涉及向基体中添加增强相（连续长纤维[31]、不连续的 whiskers和颗粒[32]）。这种方法可以重新分配应力，抑制裂纹扩展，并促进更广泛的区域变形，从而提高Fe-Al金属间化合物的机械性能。然而，人工添加增强相可能会导致两相之间的界面兼容性差和增强体分布不均等问题[[33]]。近年来，开发了基于共晶原位Fe-Al金属间化合物的复合材料，这些复合材料在相界面上表现出更好的物理和化学兼容性以及更高的界面结合强度。然而，在现有研究中，基体相仍然处于微米级晶粒水平，这些材料的塑性和韧性仍无法满足工程要求[[34,35]]。在晶粒细化策略中，随着晶粒的细化，材料的强度显著提高[[36,37]]。大量的晶界为晶界滑移提供了更多机会，使塑性变形过程更加均匀，从而提高了材料的塑性。虽然纳米晶化已被证明可以有效提高Fe-Al金属间化合物的塑性和韧性，但由于两个主要原因，纯纳米晶材料本身的塑性较差[[38]]。首先，它们均匀细小的晶粒无法有效存储位错，这大大削弱了应变硬化效应。其次，这样的结构无法抑制局部变形带的快速扩展，导致变形集中，最终限制了整体塑性。
对这些强化和增韧策略的研究表明，仅依赖单一方法不足以显著提高Fe-Al金属间化合物的塑性和韧性。为了在机械性能上取得进一步突破，需要探索新的制备技术和方法来克服Fe-Al金属间化合物的性能缺陷。包含第三元素以引入第二强化相的多相结构设计提供了一种潜在的解决方案，通过创建异质结构[[39], [40], [41], [42]]。快速固化保留了纳米晶基体的晶粒细化强化优势，同时促进了均匀分布的微米级增强相的原位沉淀。相界处的位错调控增强了应变硬化能力，而相之间的协调变形抑制了局部变形区的无控制扩展。这种协同机制同时提高了强度和韧性[[43], [44], [45]]。
为了实现Fe-Al金属间化合物强度和韧性的协同改进，并加速其作为结构材料的实际工程应用，本研究结合了合金化、复合增强和纳米晶化策略。通过铝热还原法合成了不同成分的Fe-Al-Ta合金，得到了由原位沉淀的第二相增强的纳米晶Fe3Al基体，该第二相具有优异的界面兼容性。随后对这些合金的微观结构和机械性能进行了表征。研究探讨了不同第二相形态对性能的影响，探索了有益微观结构（如异常共晶颗粒）的形成机制，并研究了微纳复合结构如何同时提高强度和韧性。最终，研究旨在确定最佳微观结构配置，以改善这些材料的机械性能，以满足工程应用的需求。
