L12纳米相强化高熵合金因其在宽温域内卓越的力学性能，在高温结构材料领域就有广阔的应用前景。但目前，抗氧化性能不足是制约其高温应用的关键瓶颈之一，在高温服役环境下，材料氧化导致的保护性氧化层剥落、晶界氧化和裂纹萌生会严重损害部件的寿命与安全，以往研究通常面临“此消彼长”的困境：提升抗氧化性往往以牺牲强度或塑性为代价。因此，如何同时实现抗氧化性与力学性能的协同提升，是领域内长期面临的挑战。

2026年3月6日，上交联合东京大学的团队在材料领域的国际期刊《JMST》上在线发表了一篇题为“Simultaneous enhancement of oxidation resistance and mechanical properties in L12-strengthened high entropy alloys via microalloying”的研究论文。在该论文中，团队通过在CoCrNiAlTi基高熵合金中添加微量（1 at.%）的Ta，成功将合金在1000°C的氧化速率降低了十倍，同时将屈服强度提升了约17%，并保持了优异的塑性。这项工作为设计兼具优异高温抗氧化性和力学性能的下一代高熵合金结构材料提供了创新的微合金化策略，通讯作者为上海交通大学的陈汉研究员、陈哲教授和钟圣怡教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.03.019

【核心内容】

本研究提出了一种微合金化策略，团队对一系列难熔金属元素进行热力学计算筛选，最终选择Ta作为合金化元素：通过用1 at.%的Ta替换等量的Ti，设计出Co40Ni30Cr20Al5Ti4Ta（AlTiTa HEA）合金，并与不含Ta的对照合金（AlTi HEA）及商用GH4738高温合金进行对比，研究发现，微量Ta的添加可同时从氧化层结构优化和纳米析出相强化两方面显著提升合金的综合性能。

图形摘要

【研究成果】

① 力学性能：“强韧”再上新台阶

微量Ta的添加，使合金的力学性能实现了全面提升，与未加Ta的AlTi HEA相比，AlTiTa HEA的屈服强度从885 MPa大幅提升至1068 MPa，抗拉强度也从1274MPa提升至1491MPa，其延伸率也同步从22.1%增加至25.7%，实现了“强韧共增”，其中，Ta原子优先偏聚于L1₂纳米析出相，提高了其反相畴界（APB）能，从而带来了约182 MPa的额外析出强化贡献。

含Ta高熵合金优异的力学性能

Ta微合金化对强化机制的贡献

② 抗氧化性能：实现“数量级”的飞跃

在1000 ℃的空气环境中，Ta展现出了惊人的防护效果，氧化动力学曲线表明，经过100h暴露，AlTiTa HEA的质量增重仅为2.41mg/cm²，远低于不含Ta合金的7.72mg/cm²，其氧化速率常数（kp）更是降低了十倍，抗氧化性达到商用GH4738高温合金的两倍以上，其抗氧化性能在众多同类材料中具有明显的优势。

氧化动力学曲线与速率对比

③ 氧化层结构：从“疏松多孔”到“致密堡垒”

AlTiTa HEA的氧化产物中出现了一种全新的热力学稳定的TaTiO₄相，截面微观结构进一步给出了直观证据：未加Ta的合金氧化层厚（~60 μm）且疏松，外层为多孔的TiO₂和尖晶石相；而添加Ta后，氧化层减薄至~25μm并演化出精巧的五层结构，在Cr₂O₃层下方形成了一层连续致密的TaTiO₄阻挡层，同时外层的Cr₂O₃层也因嵌入了TiO₂颗粒孔隙率从17.4%降至4.8%。

氧化产物的物相分析

氧化表面形貌与元素分布

氧化皮截面结构与元素分布

氧化层中析出相的TEM表征

④ 作用机制：Ta的“一石二鸟”之功

尽管Al₂O₃最稳定，但合金中充足的Cr含量使得Cr₂O₃优先形成，在氧化过程中，原子半径较大的Ta难以穿过Cr₂O₃层向外扩散，从而在其下方富集，富集的Ta与向内扩散的O和向外扩散的Ti反应，形成了致密的TaTiO₄层，这层“屏障”，一方面阻挡了氧和氮的向内扩散，抑制了内部Al₂O₃和TiN的过度生长；另一方面阻碍了金属阳离子（尤其是Ti⁴⁺）的外扩散，从而大幅减少了外层多孔TiO₂和有害尖晶石相的形成，同时“滞留”的Ti⁴⁺还能细化并填充Cr₂O₃层的孔隙，使其更加致密。

相关氧化物的热力学稳定性

钽微合金化前后的氧化机制示意图

【总结与展望】

团队不仅证实了NaCl与O₂在500℃对Ti-6Al-4V合金的强协同腐蚀作用，更通过先进的表征技术，从原子尺度揭示了其内部“相依赖”腐蚀的物理本质，这一发现超越了传统上主要关注外部腐蚀产物的研究，为通过微观组织设计（如控制β相含量、形貌）来开发新一代高耐蚀钛合金提供了至关重要的理论指导。