2025年6月《Acta Materialia》期刊發表北京理工大學材料學院程興旺教授、張帆教授課題組和西安交通大學馬恩教授團隊在輕質多主元合金領域的最新研究進展。文章題目：Combining structural and chemical heterogeneities on the nanoscale to enable ductile solid solution with record-high specific strength。通訊作者：程興旺教授，張帆教授和馬恩教授。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121270

異質納米結構可強化金屬材料，同時避免應變硬化和延展性的過度損失。本文表明，多主元合金中復雜成分特性使得在納米尺度上同時實現高水平的結構異質性和化學異質性成為可能，這一點在輕質 (Ti₅₅V₃₀Zr₁₅)₉₅Al₅ 合金（密度約 5.16 g/cm³）中得到了驗證。首先，顯著的局部化學有序（LCO）在室溫軋制過程中促進了 “位錯通道” 的形成。這種微觀變形局域化誘導產生了大量納米變形帶，其中許多變形帶在大壓下量冷軋過程中會細化為納米晶粒。其次，后續的時效處理引發了調幅分解，從而在納米尺度上引入了成分起伏。結構異質性與化學異質性的協同作用促進了強化和應變硬化，使合金獲得了創紀錄的屈服強度（約 1.7 GPa）和比屈服強度（326 MPa?cm³?g?¹），同時保持了超過 10% 的斷裂延伸率——這種性能組合在以往的輕質合金中前所未有。本研究的成功展示了一種無需硬質析出相即可實現超常強度的新型異質性策略，為高性能輕質合金開辟了一條固溶體設計路徑。

工程應用合金通常需要高比強度，這也是大量研究聚焦于輕質金屬—鈦（Ti）基合金的原因。近期合金體系的拓展，包括鈦含量超過～50 at% 的成分，這類合金被稱為輕質多主元合金（L-MPEAs）。過去幾年中，已開發出多種相對輕質（密度 5.5~6.5 g·cm?³）的多主元合金，例如 (Zr?.?Ti?.??Nb?.??)??Al??、(Ti??V??Zr??Nb??)??.?Mo?.?、Al??Ni??Ti??V??等。然而，目前兼具良好拉伸延展性的輕質多主元合金，其屈服強度很少能超過 1 GPa，而這一強度是滿足高承載需求的關鍵。達到該強度水平的常用方法是引入大量第二相析出物，但這種方法常因脆性 / 硬質金屬間化合物和應力集中源嚴重損害合金延展性。由此自然引出一個問題：是否可僅依靠固溶體，通過設計其內部的納米級異質性來提升強度而不犧牲延展性？本研究旨在解答這一材料科學問題。

異質性設計分為結構異質性和化學異質性兩類。多年來，元素金屬中以異質納米晶粒形式存在的結構異質性已被廣泛研究，其通過不同尺寸晶粒的混合實現強化與延性的協同。但該思路能否成功應用于塊狀多主元合金固溶體仍不明確，且面臨嚴峻挑戰：此前制備的異質納米結構金屬（HNM）均需復雜工藝，如納米晶粉末燒結、液氮溫軋、異步軋制及劇烈表面機械處理，這些工藝難以適配大規模生產。因此，核心問題轉化為：能否通過常規工業設備制備由納米晶（NC，尺寸 d<100 nm）與較大基體晶粒組成的結構異質納米合金（HNA-S），并具備高商業化潛力？對此，我們利用多主元合金中局部化學有序（LCO）普遍存在的特性—LCO 可顯著影響位錯運動路徑甚至改變變形亞結構，尤其能促進變形帶形成。以富含 LCO 的 BCC Ti-V-Nb-Zr-Al 多主元合金為例，已知 Zr 與 Al 間的負混合焓可促進 LCO 形成，并在單相固溶體中以平面滑移帶形式促進位錯局域化活動。本研究首次證實，這種變形局域化會誘導高密度納米變形帶，且在長時間室溫軋制中可細化為納米晶粒，從而實現塊狀多主元合金的 HNA-S 構建。

除上述結構異質性外，多主元合金的復雜成分特性還使其能在納米尺度引入化學異質性。固溶體中的化學異質性以成分起伏形式存在，這類局部化學異質性可引起層錯能波動并阻礙位錯運動，顯著貢獻于應變硬化。調幅分解為在異質納米合金（HNA-C）中引入納米級成分起伏提供了途徑。例如，含雙連續 BCC 固溶體的 HfNbTiVAl??合金，其屈服強度達～1.4 GPa 且均勻延伸率～18%。因此，本研究設計的輕質多主元合金可通過后續時效誘導調幅分解，將成分起伏推向極致。

在這項工作中，北京理工大學程興旺、張帆教授課題組和西安交通大學馬恩教授團隊將上述兩種設計思路的結合，使納米尺度高水準的結構與化學異質性協同共存的異質納米合金（HNA-S+C）得以實現，這在(Ti??V??Zr??)??Al?合金中得到驗證。該成分設計利用 Zr/Ti 與 Al 間的大負混合焓促進 LCO 形成，納米級 LCO 區域成為大量平面滑移帶形成的觸發點，進而實現晶粒細化以構建納米結構異質性。此外，受 IV-V 族體系（如 Ti/Hf-V、Zr-Nb/Ta）中混溶間隙及相分離現象的啟發，我們通過 V-Zr 組合誘導調幅分解以構建納米化學異質性。最終，通過調整合金成分增加輕質元素含量，獲得密度～5.16 g/cm³ 的輕質合金。結構與化學異質性的協同作用促進了強化與應變硬化，使合金實現～1.7 GPa 的創紀錄屈服強度，同時保持超 10% 的斷裂延伸率，其比屈服強度（326 MPa?cm³?g?¹）前所未有，全面超越以往輕質合金。綜上，固溶體合金若通過成分設計促進結構與化學異質性協同，可在無硬質析出相條件下實現高性能輕質合金的設計。

圖 TVZA合金中LCO結構表征

圖 TVZA合金納米結構異質

圖 TVZA合金納米化學異質

圖 納米結構+化學異質增強TVZA合金的力學性能