左小伟课题组在难熔高熵合金缺陷调控局域化学有序研究中取得新进展
近日，大湾区大学左小伟课题组联合中国科学院金属研究所、福建福耀科技大学等单位，在难熔多主元合金晶体缺陷诱导元素偏聚及局域化学有序调控机制研究方面取得新进展。相关成果以“Defect-mediated elemental segregation and local chemical ordering in TiZrNbTaV multi-principal element alloys”为题，发表于金属材料领域国际重要期刊 Acta Materialia（IF=10.7）。
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第一通讯单位。大湾区大学孟智超博士、大湾区大学与中山大学联合培养博士研究生李政为共同第一作者；大湾区大学左小伟副教授、中国科学院金属研究所王皞研究员和福建福耀科技大学蒋建中教授为共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金第76批面上资助和第19批特别资助、广东省基础与应用基础研究基金、松山湖材料实验室开放课题及辽宁省科学技术重大专项等项目支持。
研究背景
体心立方结构多主元合金（body-centered cubic multi-principal element alloys，BCC MPEAs）具有较高的比强度、优异的高温稳定性和广阔的成分设计空间，是高温结构材料和轻质高强金属材料的重要候选体系。然而，这类合金的进一步设计与应用仍面临两个关键科学问题：一是局域化学有序（local chemical ordering，LCO）的形成机制尚未完全明确；二是晶界、位错和点缺陷等晶体缺陷如何影响元素偏聚及LCO形成，仍缺乏系统的定量认识。已有研究通常将元素之间的化学亲和力视为LCO形成的主要驱动力，但晶体缺陷会改变局部原子排列、应力状态和化学环境，并可能诱导特定元素优先占据缺陷位置。由此产生的缺陷诱导元素偏聚，可能进一步改变LCO的形核位置、空间分布和结构稳定性。
对于轻质TiZrNbTaV系BCC多主元合金，团队前期研究已经证实，Ta与V之间的强化学亲和作用能够驱动富Ta-V LCO形成，并通过调控LCO形貌实现强度与塑性的协同提升。然而，Zr在不同晶体缺陷处是否具有普遍的偏聚倾向，其偏聚行为如何影响Ta-V LCO，以及不同缺陷是否具有差异化的调控作用，仍有待深入研究。
团队前期已建立Ti-Zr基BCC多主元合金的可解释机器学习强塑性预测模型，实现了高性能合金成分的快速筛选与实验验证(Journal of Materials Science & Technology, 256 (2026) 178-192)；随后揭示了串状和团簇状富Ta-V LCO与位错之间不同的作用机制，阐明了团簇状LCO促进强塑性协同的微观本质(Acta Materialia, 307 (2026) 121960)。在此基础上，团队进一步揭示了不同类型晶界中Zr偏聚对C15-like LCO形成的调控作用(Materials Research Letters, DOI: 10.1080/21663831.2026.2683476)。
本研究将研究范围由晶界进一步拓展至位错和点缺陷，结合混合蒙特卡洛/分子动力学模拟及STEM、EDS和APT等原子尺度实验表征，系统解析了Zr在三类晶体缺陷处的偏聚行为，以及不同缺陷对Ta-V LCO形成和空间分布的差异化调控机制。
研究成果
1. 揭示Zr偏聚的缺陷普遍性
本研究系统考察了Zr在晶界、位错和点缺陷三类晶体缺陷处的原子分布特征。结果表明，Zr偏聚并非晶界特有现象，而具有明显的缺陷普遍性：无论在晶界、位错还是点缺陷附近，Zr均表现出显著的富集倾向，并且其偏聚程度随合金中V含量增加而增强。这一结果说明，晶体缺陷不仅是结构不完整区域，也是能够重新分配合金元素、改变局部化学环境的重要微观结构。
2. 原子尺度证实Zr偏聚与Ta-V LCO的空间分离
原子尺度模拟与STEM/EDS、APT实验结果相互印证。研究发现，Zr在晶界附近形成了厚度约为2 nm的富集区域，而富Ta-V LCO则主要分布在缺陷核心之外，并与Zr富集区之间保持一定的特征间距。这种空间分离来源于两类化学相互作用的竞争与协同：Ta与V之间具有较强的化学亲和力，倾向于共同富集并形成LCO；Zr与Ta、V之间存在较强的化学排斥作用，使Ta和V不易进入Zr富集的缺陷核心区域。 因此，晶体缺陷通过优先吸引Zr，不仅改变了缺陷附近的成分分布，也进一步重构了Ta-V LCO的形成位置和空间排列。
3. 不同缺陷对LCO表现出差异化调控作用
研究进一步发现，虽然Zr在三类缺陷处均具有偏聚倾向，但不同缺陷对Ta-V LCO的调控方式并不相同。
晶界主要通过改变局部化学组成和结构环境影响LCO形成。其中，特定类型晶界能够促进Ta-V LCO在晶界邻近区域形成，而另一些晶界则表现出抑制作用。
位错主要改变LCO的空间分布，使其在位错附近形成具有特征间距的排列，但不会显著增加LCO的总体数量。
点缺陷由于数量多、空间分布相对均匀，可在更大范围内改变局部化学环境，从而促进Ta-V团簇和LCO结构的形成。
上述结果表明，缺陷对LCO的作用并非简单的“促进”或“抑制”，而是取决于缺陷结构、局部应变场以及元素化学相互作用的共同影响。
4. 建立元素缺陷位点偏好的定量能量判据
为解释不同元素在缺陷附近的分布规律，研究团队对缺陷原子构型进行了置换能谱分析，并建立了元素占据缺陷位点的定量判据。结果表明：
Zr具有负的净置换能差，表明Zr原子由基体位置迁移至缺陷位置能够降低体系能量，因此具有向晶界、位错和点缺陷偏聚的倾向；
Ta和V具有正的净置换能差，说明其进入缺陷核心会提高体系能量，因此更倾向于分布在缺陷外围，并在适宜位置形成富Ta-V LCO。
这一能量判据从原子尺度解释了Zr在不同缺陷处的普遍偏聚行为，以及Ta-V LCO与缺陷核心之间的空间分离现象。
5. 区分元素偏聚与元素自身团簇化
研究还发现，元素在缺陷处发生偏聚，并不意味着其自身团簇化程度必然同步增强。Zr虽然在晶界、位错和点缺陷附近均表现出明显偏聚，但其Zr-Zr团簇化行为具有显著的缺陷类型依赖性：
在晶界处，Zr自身团簇化程度增强；
在位错和点缺陷附近，Zr自身团簇化受到抑制。
这一结果表明，“元素向缺陷富集”与“元素之间形成团簇”是两个不同的原子尺度过程。前者主要反映元素对缺陷位点的占据偏好，后者则取决于元素之间的相互作用及局部结构环境。
研究意义
本研究从晶界、位错和点缺陷三个层面，系统揭示了TiZrNbTaV多主元合金中缺陷诱导元素偏聚及其对Ta-V LCO的调控机制，建立了“缺陷类型—元素位点偏好—元素偏聚—LCO形成与分布”之间的理论关系。
研究结果表明，晶体缺陷不仅是塑性变形的起点和载体，也能够通过改变局部化学环境调控局域原子有序度。不同缺陷具有不同的元素选择性和LCO调控能力，为利用缺陷工程精准设计LCO的空间分布、数量和形貌提供了新的理论依据。
课题组招聘揽才
本课题组专注于先进金属结构材料研究，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。
依托物质科学学院，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。
中子科学中心：运用中子衍射/同步辐射等先进手段，从原子与晶格尺度深刻揭示材料强化机制与服役演化规律。
