大湾区大学左小伟课题组联合中山大学及西安交通大学等合作单位，在轻质难熔高熵合金强韧化研究中取得重要进展。相关成果以“Architecting Ta-V-Enriched Local Chemical Ordering for Strength-Ductility Synergy in Multi-Principal Element Alloys”为题，发表于国际材料领域知名期刊Acta Materialia（中科院一区，2024年IF为9.3）。
大湾区大学物质科学学院、东莞市先进材料与大科学装置前沿交叉重点实验室及大湾区高等研究院为论文通讯单位。论文第一作者为大湾区大学与中山大学联合培养博士生李政和大湾区大学物质科学学院孟智超博士，通讯作者为大湾区大学左小伟副教授，西安交通大学刘畅教授和中山大学刘定心副教授。本工作得到国家自然科学基金、中国博士后基金、松山湖材料实验室开放课题和广东省基础与应用基础研究基金的支持。
多主元合金（MPEAs）大幅拓展了合金设计范畴，其中体心立方（BCC）结构的难熔金属基多主元合金在高温应用方面前景广阔。然而，其高密度与低塑性严重制约了发展。引入轻质塑性元素是改善塑性的有效策略，但BCC多主元合金中普遍存在强度与塑性的倒置关系，其根源在于可协调变形的滑移系有限及应变硬化能力不足。近期研究显示，利用多主元合金固有的局部化学有序（LCO）是突破该困境的新途径。LCO是亚纳米至纳米尺度的化学有序结构，能有效强化合金并调控变形机制。例如，通过引入特定元素或热处理诱发特定LCO，可促进位错交滑移、增殖与滑移带分支，从而在强化的同时提升加工硬化能力与均匀变形能力。其核心机制在于，LCO与位错的动态相互作用（如钉扎-脱钉）能产生大量位错环，这些变形产物不仅能强化材料，还能促进位错增殖，从而协同提升强塑性，这有别于易导致应力集中的经典Orowan机制。尽管LCO的强韧化潜力已被初步证实，但目前对其理解仍存在关键瓶颈：应变下LCO的演化规律、位错与其相互作用的原子尺度机制、以及LCO空间构型对性能的定量影响均尚不明确，利用LCO诱导变形产物进行强韧化的研究也较为缺乏。为此，我们选取Ti-Zr-Nb-Ta基合金体系，并通过引入具有高化学亲和力的V元素来调控LCO。利用双球差矫正扫描透射电子显微镜、三维原子探针与分子动力学模拟，系统研究该合金中LCO的形成机制及其强韧化作用，旨在为基于LCO理性设计高性能合金提供理论基础。
本研究综合运用微观结构表征、力学性能测试与原子尺度模拟，在TZNTVx合金体系中首次观察到富Ta-V的局部化学有序（LCO）结构，并证实其可作为富Ta-V C15型Laves相的前驱体。原子尺度模拟与热力学相图计算进一步证实，该LCO的形成主要源于Ta与V原子间强烈的化学亲和力。实验与模拟结果共同表明，C15型LCO呈现串状（String-like）与团状（Cluster-like）两种典型形貌；通过调控V含量可改变二者比例，且Cluster-like LCO比例的增加会显著加剧基体晶格畸变。研究系统阐明了LCO与位错的相互作用机制：可动位错对String-like LCO以剪切作用为主，而对Cluster-like LCO则以绕过机制为主。Cluster-like LCO在不同应力水平下均表现出更强的位错运动阻碍能力。经过多轮交互作用后，Cluster-like LCO仍能维持其障碍效应，而String-like LCO则易发生碎化并逐渐失效。Cluster-like LCO在阻碍位错运动以强化基体的同时，还能促进位错增殖、激活多滑移系，从而提升塑性。其与位错相互作用产生的位错环可作为Frank-Read源，在塑性变形中持续扩展并激发进一步的位错增殖。因此，富含Cluster-like LCO的V15合金相较于V5合金展现出更优的强塑性匹配，其屈服强度达1.04 GPa，抗拉强度为1.2 GPa，延伸率达20.6%。
左小伟课题组专注于先进金属结构材料研究，核心团队现有12名成员，包括特任研究员、博士后、联合培养博士生与硕士生以及访问研究生。 研究方向聚焦于基础材料科学及机器学习辅助材料设计与开发等前沿领域。
依托学院支持，课题组已建成系列先进研究平台：
- 材料制备与加工平台：激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造系统、原位中子衍射高梯度定向凝固设备、冷坩埚电磁悬浮熔炼炉、高真空非自耗电弧熔炼炉、冷/热双辊轧机。
- 材料测试与分析平台：维氏硬度计、多物理场（热/电）纳米压痕仪、万能材料试验机、疲劳试验机（配备DIC数字图像相关系统）。
- 材料计算平台： 高性能计算集群及相关模拟软件。
诚邀对上述研究方向感兴趣的博士后、博士生及硕士生加入团队或开展合作研究，请联系：zuoxw@gbu.edu.cn。
