從AI設(shè)計(jì)到機(jī)理探索：大灣區(qū)大學(xué)團(tuán)隊(duì)揭示TiZrNbTaV輕質(zhì)難熔多主元合金強(qiáng)韌化新機(jī)制

近日，大灣區(qū)大學(xué)物質(zhì)科學(xué)學(xué)院左小偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、西安交通大學(xué)、中山大學(xué)、福建福耀科技大學(xué)、太原科技大學(xué)等單位，在TiZrNbTaV輕質(zhì)難熔多主元合金的強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)與元素偏聚機(jī)制研究方面取得系列進(jìn)展。

該系列工作圍繞“成分設(shè)計(jì)—強(qiáng)韌化機(jī)理—缺陷調(diào)控短程有序”展開(kāi)。首先借助機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)合金成分的高效篩選與性能預(yù)測(cè)，隨后深入揭示局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制及其強(qiáng)韌化作用，并進(jìn)一步闡明晶界、位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷等晶體缺陷對(duì)元素偏聚行為及局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)的調(diào)控規(guī)律。相關(guān)研究逐步建立了從宏觀力學(xué)性能預(yù)測(cè)到原子尺度機(jī)制解析的系統(tǒng)框架，為輕質(zhì)難熔多主元合金的理性設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

相關(guān)成果已發(fā)表于金屬材料領(lǐng)域重要期刊：

1)J. Mater. Sci. Technol., 256 (2026): 178-192.

第一作者：李旭濤（大灣區(qū)大學(xué)訪問(wèn)學(xué)生、太原科技大學(xué)碩士生）、李政（大灣區(qū)大學(xué)與中山大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生）；

通訊作者：左小偉、康麗（太原科技大學(xué)）、劉定心（中山大學(xué)）。

2)Acta Mater., 307 (2026): 121960.

第一作者：李政（大灣區(qū)大學(xué)與中山大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生）、孟智超（大灣區(qū)大學(xué)）；

通訊作者：左小偉、劉暢（西安交通大學(xué)）、劉定心。

3)Mater. Res. Lett., (2026): 1-10. DOI: 10.1080/21663831.2026.2683476.

第一作者：孟智超、李政、李旭濤；

通訊作者：左小偉。

4)Acta Mater., 317 (2026): 122539.

第一作者：孟智超、李政；

通訊作者：左小偉、王皞（中國(guó)科學(xué)院金屬研究所）、蔣建中（福建福耀科技大學(xué)）。

一、研究背景：輕質(zhì)難熔多主元合金為何值得關(guān)注？

隨著深空探測(cè)、高端裝備和航空航天等領(lǐng)域的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)材料正面臨更嚴(yán)苛的服役需求：既要實(shí)現(xiàn)輕量化，又要在極端環(huán)境下保持高強(qiáng)度、高韌性和寬溫域穩(wěn)定性。傳統(tǒng)金屬材料在滿足這些綜合性能要求方面逐漸顯現(xiàn)出局限。以難熔元素為主要組元的體心立方（BCC）多主元合金，因具有較高熔點(diǎn)、優(yōu)異高溫穩(wěn)定性和突出的強(qiáng)度潛力，被認(rèn)為是下一代高性能結(jié)構(gòu)材料的重要候選。然而，這類材料走向?qū)嶋H應(yīng)用仍面臨兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

第一，強(qiáng)度與塑性難以兼顧。許多BCC難熔多主元合金能夠獲得較高強(qiáng)度，但往往伴隨塑性不足。如何在保持高強(qiáng)度的同時(shí)提升延展性，是該類材料設(shè)計(jì)中的核心挑戰(zhàn)。

第二，局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)的形成與調(diào)控機(jī)制尚不明確。局域化學(xué)有序是指亞納米至納米尺度上的非隨機(jī)原子排列特征，已被證明能夠顯著影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、強(qiáng)化行為和塑性變形機(jī)制。然而，在TiZrNbTaV等輕質(zhì)難熔多主元合金中，局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)如何形成，如何與晶界、位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷等晶體缺陷相互作用，以及這種相互作用如何進(jìn)一步影響力學(xué)性能，仍缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

圍繞上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)從合金成分設(shè)計(jì)出發(fā)，逐步深入到原子尺度結(jié)構(gòu)演化與缺陷調(diào)控機(jī)制研究，形成了四項(xiàng)相互銜接、層層遞進(jìn)的系統(tǒng)性工作。

二、核心進(jìn)展

1、AI賦能合金設(shè)計(jì)：建立可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)框架，實(shí)現(xiàn)BCC多主元合金強(qiáng)韌化預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)

面對(duì)BCC多主元合金成分空間巨大、傳統(tǒng)試錯(cuò)式設(shè)計(jì)效率低的問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)（Interpretable Machine Learning）框架，系統(tǒng)挖掘合金成分特征與力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為高性能多主元合金設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新路徑。研究發(fā)現(xiàn)，斷裂延伸率并非由單一因素決定，而是由電負(fù)性差、價(jià)電子濃度（VEC）、密度等多個(gè)材料特征協(xié)同調(diào)控；相比之下，平均剪切模量失配是決定屈服強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。這一結(jié)果揭示了BCC多主元合金強(qiáng)度與塑性的不同控制機(jī)制，為理解復(fù)雜合金體系的性能來(lái)源提供了新的理論依據(jù)?；诤Y選出的關(guān)鍵材料特征，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了屈服強(qiáng)度和斷裂延伸率預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了高精度性能預(yù)測(cè)。其中：屈服強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型：R2 = 0.96；斷裂延伸率預(yù)測(cè)模型：R2 = 0.84，均顯著優(yōu)于已有預(yù)測(cè)方法。更重要的是，團(tuán)隊(duì)突破了機(jī)器學(xué)習(xí)僅用于“性能預(yù)測(cè)”的傳統(tǒng)模式，將獲得的“材料特征—力學(xué)性能關(guān)系”進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為可操作的合金設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并據(jù)此設(shè)計(jì)出三種新型Ti-Zr基BCC多主元合金。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，新設(shè)計(jì)合金實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的強(qiáng)塑匹配：屈服強(qiáng)度達(dá)到 1.07–1.16 GPa；斷裂延伸率達(dá)到 16.6-24.5%；比屈服強(qiáng)度約為 170 MPa·cm3·g?1。其綜合性能優(yōu)于大多數(shù)已報(bào)道BCC多主元合金。

圖1 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助BCC多主元合金強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)

該工作建立了“關(guān)鍵特征識(shí)別—材料性能預(yù)測(cè)—合金精準(zhǔn)設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的材料研發(fā)新范式，并為后續(xù)TiZrNbTaV體系局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)調(diào)控研究奠定了材料基礎(chǔ)。

2、發(fā)現(xiàn)C15型富Ta-V局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)：揭示其作為強(qiáng)韌化結(jié)構(gòu)單元的作用機(jī)制

在TiZrNbTaV合金中發(fā)現(xiàn)富Ta-V局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)，并證實(shí)其可作為富Ta-V C15型Laves相的前驅(qū)體。結(jié)合原子尺度模擬和熱力學(xué)相圖計(jì)算，研究表明，該局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)的形成主要源于Ta與V原子之間強(qiáng)烈的化學(xué)親和力。實(shí)驗(yàn)和模擬進(jìn)一步顯示，C15型局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)存在兩種典型形貌：鏈狀和團(tuán)簇狀。通過(guò)調(diào)控V含量，可以改變兩類結(jié)構(gòu)的比例；其中，團(tuán)簇狀局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)比例增加會(huì)顯著增強(qiáng)基體晶格畸變。

圖2 C15型局域化學(xué)有序的發(fā)現(xiàn)及其強(qiáng)韌化機(jī)理

該研究進(jìn)一步揭示了局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)與位錯(cuò)之間的相互作用機(jī)制?？蓜?dòng)位錯(cuò)與鏈狀局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，主要表現(xiàn)為剪切機(jī)制；而與團(tuán)簇狀局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，則主要表現(xiàn)為繞過(guò)機(jī)制。經(jīng)過(guò)多輪位錯(cuò)作用后，團(tuán)簇狀結(jié)構(gòu)仍能保持較強(qiáng)障礙效應(yīng)，而鏈狀結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生碎化并逐漸失效。

團(tuán)簇狀局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)不僅能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、提高強(qiáng)度，還能促進(jìn)位錯(cuò)增殖并激活多滑移系，從而改善塑性。這一機(jī)制與其誘導(dǎo)形成的位錯(cuò)環(huán)有關(guān)：位錯(cuò)環(huán)可作為Frank-Read源，在塑性變形過(guò)程中持續(xù)擴(kuò)展并進(jìn)一步促進(jìn)位錯(cuò)增殖。富含團(tuán)簇狀局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)的V15合金表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配：屈服強(qiáng)度達(dá)到1.04 GPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1.2 GPa，延伸率達(dá)到20.6%。

這一工作明確了局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)作為強(qiáng)韌化“結(jié)構(gòu)單元”的作用，也提出了新的科學(xué)問(wèn)題：這些結(jié)構(gòu)的形成和分布是否會(huì)受到晶體缺陷的影響？

3、揭示晶界類型依賴的Zr偏聚與LCO調(diào)控機(jī)制

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步聚焦晶界這一典型晶體缺陷，揭示了Zr在晶界處的偏聚行為對(duì)C15型局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)形成的調(diào)控機(jī)制。研究表明，盡管Ta-V之間的強(qiáng)親和力是局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)形成的主要驅(qū)動(dòng)力，但晶界處Zr的自偏聚行為同樣會(huì)顯著影響該過(guò)程。結(jié)合原子尺度模擬、實(shí)驗(yàn)表征和深度學(xué)習(xí)分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這種調(diào)控作用具有明顯的晶界類型依賴性：低指數(shù)晶界，如Σ3和Σ5，有利于局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)形成；而高指數(shù)晶界，如Σ31和Σ33，則表現(xiàn)出抑制作用。進(jìn)一步的能量分析表明，Zr向晶界偏聚能夠有效降低體系能量，這是其優(yōu)先占據(jù)晶界位置的根本原因。

圖3 晶界處元素偏聚對(duì)C15型局域化學(xué)有序的調(diào)控作用

這一工作在晶界化學(xué)、元素偏聚動(dòng)力學(xué)與局域化學(xué)有序形成之間建立了定量關(guān)聯(lián)。但隨之而來(lái)的問(wèn)題是：Zr偏聚是否只發(fā)生在晶界？位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷等其他晶體缺陷是否也會(huì)產(chǎn)生類似調(diào)控作用？

4、建立缺陷類型調(diào)控LCO形成的普適規(guī)律，揭示“缺陷—化學(xué)—性能”關(guān)聯(lián)機(jī)制

研究團(tuán)隊(duì)將研究對(duì)象從晶界進(jìn)一步拓展至位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷，系統(tǒng)考察了Zr在晶界、位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷三類晶體缺陷處的偏聚行為及其對(duì)Ta-V局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)的影響。

圖4 晶體缺陷誘導(dǎo)的元素偏聚及局域化學(xué)有序調(diào)控機(jī)制

研究發(fā)現(xiàn)，Zr偏聚具有缺陷普遍性。無(wú)論在晶界、位錯(cuò)還是點(diǎn)缺陷處，Zr均表現(xiàn)出明顯的偏聚傾向，且偏聚程度隨V含量增加而增強(qiáng)。原子尺度實(shí)驗(yàn)，包括STEM/EDS和APT表征，與模擬結(jié)果高度一致：Zr在晶界處形成約2 nm厚的富集層，而Ta-V局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)則被排斥在缺陷核心之外，兩者之間保持特征間距。這種空間分離源于Ta-V之間的強(qiáng)親和力與Zr-Ta/V之間的強(qiáng)排斥力共同作用。更重要的是，不同類型缺陷對(duì)局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)的調(diào)控方式并不相同。低指數(shù)晶界可以促進(jìn)Ta-V局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)在晶界附近形成；位錯(cuò)主要改變局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)的空間分布，而不顯著增加其數(shù)量；點(diǎn)缺陷由于具有較高密度和更均勻的空間分布，也能夠增強(qiáng)Ta-V團(tuán)簇的形成。通過(guò)置換能譜分析，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了元素位點(diǎn)偏好的定量判據(jù)：Zr的負(fù)凈置換能差驅(qū)動(dòng)其向各類缺陷富集，而Ta和V的正凈置換能差則解釋了它們被排斥在缺陷核心之外的現(xiàn)象。值得注意的是，元素在缺陷處富集并不必然意味著其自身團(tuán)簇化程度增強(qiáng)。Zr雖然在三類缺陷中均表現(xiàn)出偏聚傾向，但其自身團(tuán)簇化行為具有缺陷類型依賴性：在晶界處增強(qiáng)，而在位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷處受到抑制。

第3項(xiàng)工作建立了晶界化學(xué)與局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)聯(lián)，那么第4項(xiàng)工作則進(jìn)一步建立了缺陷類型與局域化學(xué)有序調(diào)控之間的系統(tǒng)規(guī)律，揭示了Zr偏聚的缺陷普遍性及其差異化調(diào)控機(jī)制，為理解BCC多主元合金中“缺陷—化學(xué)—性能”之間的內(nèi)在聯(lián)系提供了更完整的理論框架。

三、研究意義

該系列研究從材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)表征、理論計(jì)算和力學(xué)機(jī)制等多個(gè)層面，系統(tǒng)推進(jìn)了TiZrNbTaV輕質(zhì)難熔多主元合金的研究。

通過(guò)可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)建立了面向BCC多主元合金的強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度與良好塑性的協(xié)同優(yōu)化。并在原子尺度揭示了C15型富Ta-V局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制、形貌演化及其與位錯(cuò)相互作用的強(qiáng)韌化機(jī)制，并進(jìn)一步闡明了晶界、位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷對(duì)元素偏聚與局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu)的差異化調(diào)控規(guī)律。

這些成果不僅加深了對(duì)輕質(zhì)難熔多主元合金中局域化學(xué)有序和缺陷化學(xué)的理解，也為高性能高溫結(jié)構(gòu)材料的成分設(shè)計(jì)、組織調(diào)控和性能優(yōu)化提供了新的理論依據(jù)。

四、致謝

本系列研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題、遼寧省科學(xué)技術(shù)重大專項(xiàng)等項(xiàng)目支持。

五、課題組招聘攬才

左小偉研究員團(tuán)隊(duì)專注于先進(jìn)金屬結(jié)構(gòu)材料研究，聚焦于基礎(chǔ)材料科學(xué)及機(jī)器學(xué)習(xí)輔助材料設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)等前沿領(lǐng)域。依托物質(zhì)科學(xué)學(xué)院，已建成系列先進(jìn)研究平臺(tái)：

• 材料制備與加工平臺(tái)：激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造系統(tǒng)、原位中子衍射高梯度定向凝固設(shè)備、冷坩堝電磁懸浮熔煉爐、高真空非自耗電弧熔煉爐、冷/熱雙輥軋機(jī)。

• 材料測(cè)試與分析平臺(tái)：維氏硬度計(jì)、多物理場(chǎng)（熱/電）納米壓痕儀、萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、疲勞試驗(yàn)機(jī)（配備DIC數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)）。

• 材料計(jì)算平臺(tái)：高性能計(jì)算集群及相關(guān)配套模擬軟件。

• 中子科學(xué)中心：運(yùn)用中子衍射/同步輻射等先進(jìn)手段，從原子尺度深刻揭示材料強(qiáng)化機(jī)制與服役演化規(guī)律。
  

  誠(chéng)邀對(duì)上述研究方向感興趣的博士后、博士生及碩士生加入團(tuán)隊(duì)或短期訪問(wèn)開(kāi)展合作研究，請(qǐng)聯(lián)系：zuoxw@gbu.edu.cn。

本文來(lái)自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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