難熔高熵合金（RHEAs）和難熔復雜濃縮合金（RCCAs）因其高強度和耐高溫性能而備受關注，但如何在輕量化的同時兼顧強度與塑性，并保持高溫下的力學性能，一直是這一領域的瓶頸，Ti基RCCAs因其低密度和潛在的延展性，成為近年來的研究熱點。

近日，哈爾濱工業大學團隊聯合中國科學院金屬所，在《Journal of Materials Science & Technology》期刊在線發表了題為“Insights into multi-effects of single element Mo in Ti-rich Ti₄₀Nb₃₀V_25−xZr₅Mo_x refractory complex concentrated alloys: Strength-ductility synergy and high-temperature strengthening”的研究論文，在這項研究中，團隊為了在保持輕質化和良好延展性的前提下提升Ti基RCCAs合金的力學性能，通過單一元素Mo的精準調控來調節合金的原子應變場、位錯行為與電子結構。論文通訊作者為哈爾濱工業大學安琦副教授和黃陸軍教授。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.07.052

【核心內容】

團隊設計的Ti₄₀Nb₃₀V₂₀Zr₅Mo₅合金在室溫下表現出867MPa的屈服強度與26%左右的延伸率，并在1073K的高溫下仍保持超過500MPa的抗拉強度，這樣優異的性能組合來源于Mo的引入，團隊發現，Mo能夠顯著增加晶格模量錯配和不均勻原子應變場，同時促使位錯在滑移過程中更易發生交滑移與纏結，最終表現為在合金內構建更為復雜的位錯亞結構網絡。

圖形摘要

【研究方法】

團隊通過真空電弧熔煉法熔煉純度≥99.95 wt.%的Ti、Nb、V、Zr和Mo的金屬顆粒以此制備Ti₄₀Nb₃₀V_25−xZr₅Mo_x （x=0，3，5）合金，為了表征合金在高溫條件下的力學性能變化，分別在室溫與高溫條件下進行拉伸試驗，應變速率分別為5.6×10⁻⁴ s⁻¹（室溫）和1×10⁻³ s⁻¹（高溫），且測試均重復至少三次以保證可重復性，并使用納米壓痕機進行5×5壓痕陣列的納米壓痕測試，結合DIC、SEM、EBSD、TEM以及CALPHAD相圖計算與DFT模擬，深入揭示Mo在合金中的多重作用機制。

【研究成果】

① 單相結構與微觀特征

在引入Mo之后，合金依然保持單相體心立方結構，未觀察到含Mo析出相，且隨著含Mo量的增加，平均晶粒尺寸得到細化，Mo5（Ti₄₀Nb₃₀V₂₀Zr₅Mo₅）的平均晶粒尺寸為16.6μm。

合金相圖與穩定區間（CALPHAD計算結果）

EBSD晶粒取向與相分布

② Mo引入提升原子尺度應變場

Mo的加入引入的更大的原子應變，并使其分布趨于不均勻分布，使位錯在滑移過程中受到更強阻礙，從而提升了合金的本征強度。

HRTEM與原子應變分布

③ 室溫力學性能：強度與延展性的協同提升

Mo元素的引入協同提升了合金的強塑性，Mo5在室溫下的屈服強度比Mo0提高了20%，達到了867MPa，同時延伸率提高至25%左右，應變硬化速率穩定保持在約2GPa，Mo5在拉伸過程中應變分布更加均勻，相比Mo0有效延緩了局部頸縮的發生。

室溫應力–應變曲線與應變硬化行為

DIC應變場分析

TEM變形亞結構

④ 高溫性能：輕質合金的優異強度保持能力

在高溫下，密度僅6.4g/cm³的Mo5合金表現出優異的綜合力學性能，在1073K時，抗拉強度仍可超過500MPa，這一性能表現優于傳統鈦合金和部分Ni基高溫合金。

高溫拉伸后顯微組織演變

DFT計算的電子結構

Mo5與Ni基超合金、Ti合金、TiAl合金等的高溫強度對比圖

【總結與展望】

該研究開發出了一種新型的Ti₄₀Nb₃₀V₂₀Zr₅Mo₅RCCA，該合金具有相對低的密度，在室溫與高溫條件均有優異的力學性能，這項研究為設計新型輕質耐高溫結構材料提供了重要思路，未來有望在航空航天和能源裝備領域發揮重要作用。