2025年6月《Acta Materialia》期刊发表北京理工大学材料学院程兴旺教授、张帆教授课题组和西安交通大学马恩教授团队在轻质多主元合金领域的最新研究进展。文章题目：Combining structural and chemical heterogeneities on the nanoscale to enable ductile solid solution with record-high specific strength。通讯作者：程兴旺教授，张帆教授和马恩教授。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121270

异质纳米结构可强化金属材料，同时避免应变硬化和延展性的过度损失。本文表明，多主元合金中复杂成分特性使得在纳米尺度上同时实现高水平的结构异质性和化学异质性成为可能，这一点在轻质 (Ti₅₅V₃₀Zr₁₅)₉₅Al₅ 合金（密度约 5.16 g/cm³）中得到了验证。首先，显著的局部化学有序（LCO）在室温轧制过程中促进了 “位错通道” 的形成。这种微观变形局域化诱导产生了大量纳米变形带，其中许多变形带在大压下量冷轧过程中会细化为纳米晶粒。其次，后续的时效处理引发了调幅分解，从而在纳米尺度上引入了成分起伏。结构异质性与化学异质性的协同作用促进了强化和应变硬化，使合金获得了创纪录的屈服强度（约 1.7 GPa）和比屈服强度（326 MPa・cm³・g⁻¹），同时保持了超过 10% 的断裂延伸率——这种性能组合在以往的轻质合金中前所未有。本研究的成功展示了一种无需硬质析出相即可实现超常强度的新型异质性策略，为高性能轻质合金开辟了一条固溶体设计路径。

工程应用合金通常需要高比强度，这也是大量研究聚焦于轻质金属—钛（Ti）基合金的原因。近期合金体系的拓展，包括钛含量超过～50 at% 的成分，这类合金被称为轻质多主元合金（L-MPEAs）。过去几年中，已开发出多种相对轻质（密度 5.5~6.5 g·cm⁻³）的多主元合金，例如 (Zr₀.₅Ti₀.₃₅Nb₀.₁₅)₉₀Al₁₀、(Ti₄₄V₂₈Zr₁₄Nb₁₄)₉₈.₅Mo₁.₅、Al₁₇Ni₃₄Ti₁₇V₃₂等。然而，目前兼具良好拉伸延展性的轻质多主元合金，其屈服强度很少能超过 1 GPa，而这一强度是满足高承载需求的关键。达到该强度水平的常用方法是引入大量第二相析出物，但这种方法常因脆性 / 硬质金属间化合物和应力集中源严重损害合金延展性。由此自然引出一个问题：是否可仅依靠固溶体，通过设计其内部的纳米级异质性来提升强度而不牺牲延展性？本研究旨在解答这一材料科学问题。

异质性设计分为结构异质性和化学异质性两类。多年来，元素金属中以异质纳米晶粒形式存在的结构异质性已被广泛研究，其通过不同尺寸晶粒的混合实现强化与延性的协同。但该思路能否成功应用于块状多主元合金固溶体仍不明确，且面临严峻挑战：此前制备的异质纳米结构金属（HNM）均需复杂工艺，如纳米晶粉末烧结、液氮温轧、异步轧制及剧烈表面机械处理，这些工艺难以适配大规模生产。因此，核心问题转化为：能否通过常规工业设备制备由纳米晶（NC，尺寸 d<100 nm）与较大基体晶粒组成的结构异质纳米合金（HNA-S），并具备高商业化潜力？对此，我们利用多主元合金中局部化学有序（LCO）普遍存在的特性—LCO 可显著影响位错运动路径甚至改变变形亚结构，尤其能促进变形带形成。以富含 LCO 的 BCC Ti-V-Nb-Zr-Al 多主元合金为例，已知 Zr 与 Al 间的负混合焓可促进 LCO 形成，并在单相固溶体中以平面滑移带形式促进位错局域化活动。本研究首次证实，这种变形局域化会诱导高密度纳米变形带，且在长时间室温轧制中可细化为纳米晶粒，从而实现块状多主元合金的 HNA-S 构建。

除上述结构异质性外，多主元合金的复杂成分特性还使其能在纳米尺度引入化学异质性。固溶体中的化学异质性以成分起伏形式存在，这类局部化学异质性可引起层错能波动并阻碍位错运动，显著贡献于应变硬化。调幅分解为在异质纳米合金（HNA-C）中引入纳米级成分起伏提供了途径。例如，含双连续 BCC 固溶体的 HfNbTiVAl₁₀合金，其屈服强度达～1.4 GPa 且均匀延伸率～18%。因此，本研究设计的轻质多主元合金可通过后续时效诱导调幅分解，将成分起伏推向极致。

在这项工作中，北京理工大学程兴旺、张帆教授课题组和西安交通大学马恩教授团队将上述两种设计思路的结合，使纳米尺度高水准的结构与化学异质性协同共存的异质纳米合金（HNA-S+C）得以实现，这在(Ti₅₅V₃₀Zr₁₅)₉₅Al₅合金中得到验证。该成分设计利用 Zr/Ti 与 Al 间的大负混合焓促进 LCO 形成，纳米级 LCO 区域成为大量平面滑移带形成的触发点，进而实现晶粒细化以构建纳米结构异质性。此外，受 IV-V 族体系（如 Ti/Hf-V、Zr-Nb/Ta）中混溶间隙及相分离现象的启发，我们通过 V-Zr 组合诱导调幅分解以构建纳米化学异质性。最终，通过调整合金成分增加轻质元素含量，获得密度～5.16 g/cm³ 的轻质合金。结构与化学异质性的协同作用促进了强化与应变硬化，使合金实现～1.7 GPa 的创纪录屈服强度，同时保持超 10% 的断裂延伸率，其比屈服强度（326 MPa・cm³・g⁻¹）前所未有，全面超越以往轻质合金。综上，固溶体合金若通过成分设计促进结构与化学异质性协同，可在无硬质析出相条件下实现高性能轻质合金的设计。

图 TVZA合金中LCO结构表征

图 TVZA合金纳米结构异质

图 TVZA合金纳米化学异质

图 纳米结构+化学异质增强TVZA合金的力学性能