从AI设计到机理探索：大湾区大学团队揭示TiZrNbTaV轻质难熔多主元合金强韧化新机制

近日，大湾区大学物质科学学院左小伟团队联合中国科学院金属研究所、西安交通大学、中山大学、福建福耀科技大学、太原科技大学等单位，在TiZrNbTaV轻质难熔多主元合金的强韧化设计与元素偏聚机制研究方面取得系列进展。

该系列工作围绕“成分设计—强韧化机理—缺陷调控短程有序”展开。首先借助机器学习实现合金成分的高效筛选与性能预测，随后深入揭示局域化学有序结构的形成机制及其强韧化作用，并进一步阐明晶界、位错和点缺陷等晶体缺陷对元素偏聚行为及局域化学有序结构的调控规律。相关研究逐步建立了从宏观力学性能预测到原子尺度机制解析的系统框架，为轻质难熔多主元合金的理性设计与性能优化提供了重要依据。

相关成果已发表于金属材料领域重要期刊：

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

第一作者：李旭涛（大湾区大学访问学生、太原科技大学硕士生）、李政（大湾区大学与中山大学联合培养博士生）；

通讯作者：左小伟、康丽（太原科技大学）、刘定心（中山大学）。

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

第一作者：李政（大湾区大学与中山大学联合培养博士生）、孟智超（大湾区大学）；

通讯作者：左小伟、刘畅（西安交通大学）、刘定心。

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

第一作者：孟智超、李政、李旭涛；

通讯作者：左小伟。

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

第一作者：孟智超、李政；

通讯作者：左小伟、王皞（中国科学院金属研究所）、蒋建中（福建福耀科技大学）。

一、研究背景：轻质难熔多主元合金为何值得关注？

随着深空探测、高端装备和航空航天等领域的快速发展，结构材料正面临更严苛的服役需求：既要实现轻量化，又要在极端环境下保持高强度、高韧性和宽温域稳定性。传统金属材料在满足这些综合性能要求方面逐渐显现出局限。以难熔元素为主要组元的体心立方（BCC）多主元合金，因具有较高熔点、优异高温稳定性和突出的强度潜力，被认为是下一代高性能结构材料的重要候选。然而，这类材料走向实际应用仍面临两个关键科学问题。

第一，强度与塑性难以兼顾。许多BCC难熔多主元合金能够获得较高强度，但往往伴随塑性不足。如何在保持高强度的同时提升延展性，是该类材料设计中的核心挑战。

第二，局域化学有序结构的形成与调控机制尚不明确。局域化学有序是指亚纳米至纳米尺度上的非随机原子排列特征，已被证明能够显著影响位错运动、强化行为和塑性变形机制。然而，在TiZrNbTaV等轻质难熔多主元合金中，局域化学有序结构如何形成，如何与晶界、位错和点缺陷等晶体缺陷相互作用，以及这种相互作用如何进一步影响力学性能，仍缺乏系统认识。

围绕上述问题，研究团队从合金成分设计出发，逐步深入到原子尺度结构演化与缺陷调控机制研究，形成了四项相互衔接、层层递进的系统性工作。

二、核心进展

1、AI赋能合金设计：建立可解释机器学习框架，实现BCC多主元合金强韧化预测与设计

面对BCC多主元合金成分空间巨大、传统试错式设计效率低的问题，研究团队首先构建了可解释机器学习（Interpretable Machine Learning）框架，系统挖掘合金成分特征与力学性能之间的内在联系，为高性能多主元合金设计提供数据驱动的新路径。研究发现，断裂延伸率并非由单一因素决定，而是由电负性差、价电子浓度（VEC）、密度等多个材料特征协同调控；相比之下，平均剪切模量失配是决定屈服强度的关键因素。这一结果揭示了BCC多主元合金强度与塑性的不同控制机制，为理解复杂合金体系的性能来源提供了新的理论依据。基于筛选出的关键材料特征，研究团队进一步建立了屈服强度和断裂延伸率预测模型，实现了高精度性能预测。其中：屈服强度预测模型：R² = 0.96；断裂延伸率预测模型：R² = 0.84，均显著优于已有预测方法。更重要的是，团队突破了机器学习仅用于“性能预测”的传统模式，将获得的“材料特征—力学性能关系”进一步转化为可操作的合金设计准则，并据此设计出三种新型Ti-Zr基BCC多主元合金。实验结果显示，新设计合金实现了优异的强塑匹配：屈服强度达到 1.07–1.16 GPa；断裂延伸率达到 16.6-24.5%；比屈服强度约为 170 MPa·cm³·g⁻¹。其综合性能优于大多数已报道BCC多主元合金。

图1 机器学习辅助BCC多主元合金强韧化设计

该工作建立了“关键特征识别—材料性能预测—合金精准设计—实验验证”的材料研发新范式，并为后续TiZrNbTaV体系局域化学有序结构调控研究奠定了材料基础。

2、发现C15型富Ta-V局域化学有序结构：揭示其作为强韧化结构单元的作用机制

在TiZrNbTaV合金中发现富Ta-V局域化学有序结构，并证实其可作为富Ta-V C15型Laves相的前驱体。结合原子尺度模拟和热力学相图计算，研究表明，该局域化学有序结构的形成主要源于Ta与V原子之间强烈的化学亲和力。实验和模拟进一步显示，C15型局域化学有序结构存在两种典型形貌：链状和团簇状。通过调控V含量，可以改变两类结构的比例；其中，团簇状局域化学有序结构比例增加会显著增强基体晶格畸变。

图2 C15型局域化学有序的发现及其强韧化机理

该研究进一步揭示了局域化学有序结构与位错之间的相互作用机制。可动位错与链状局域化学有序结构相互作用时，主要表现为剪切机制；而与团簇状局域化学有序结构相互作用时，则主要表现为绕过机制。经过多轮位错作用后，团簇状结构仍能保持较强障碍效应，而链状结构更容易发生碎化并逐渐失效。

团簇状局域化学有序结构不仅能够阻碍位错运动、提高强度，还能促进位错增殖并激活多滑移系，从而改善塑性。这一机制与其诱导形成的位错环有关：位错环可作为Frank-Read源，在塑性变形过程中持续扩展并进一步促进位错增殖。富含团簇状局域化学有序结构的V15合金表现出优异的强塑性匹配：屈服强度达到1.04 GPa，抗拉强度达到1.2 GPa，延伸率达到20.6%。

这一工作明确了局域化学有序结构作为强韧化“结构单元”的作用，也提出了新的科学问题：这些结构的形成和分布是否会受到晶体缺陷的影响？

3、揭示晶界类型依赖的Zr偏聚与LCO调控机制

研究团队进一步聚焦晶界这一典型晶体缺陷，揭示了Zr在晶界处的偏聚行为对C15型局域化学有序结构形成的调控机制。研究表明，尽管Ta-V之间的强亲和力是局域化学有序结构形成的主要驱动力，但晶界处Zr的自偏聚行为同样会显著影响该过程。结合原子尺度模拟、实验表征和深度学习分析，团队发现这种调控作用具有明显的晶界类型依赖性：低指数晶界，如Σ3和Σ5，有利于局域化学有序结构形成；而高指数晶界，如Σ31和Σ33，则表现出抑制作用。进一步的能量分析表明，Zr向晶界偏聚能够有效降低体系能量，这是其优先占据晶界位置的根本原因。

图3 晶界处元素偏聚对C15型局域化学有序的调控作用

这一工作在晶界化学、元素偏聚动力学与局域化学有序形成之间建立了定量关联。但随之而来的问题是：Zr偏聚是否只发生在晶界？位错和点缺陷等其他晶体缺陷是否也会产生类似调控作用？

4、建立缺陷类型调控LCO形成的普适规律，揭示“缺陷—化学—性能”关联机制

研究团队将研究对象从晶界进一步拓展至位错和点缺陷，系统考察了Zr在晶界、位错和点缺陷三类晶体缺陷处的偏聚行为及其对Ta-V局域化学有序结构的影响。

图4 晶体缺陷诱导的元素偏聚及局域化学有序调控机制

研究发现，Zr偏聚具有缺陷普遍性。无论在晶界、位错还是点缺陷处，Zr均表现出明显的偏聚倾向，且偏聚程度随V含量增加而增强。原子尺度实验，包括STEM/EDS和APT表征，与模拟结果高度一致：Zr在晶界处形成约2 nm厚的富集层，而Ta-V局域化学有序结构则被排斥在缺陷核心之外，两者之间保持特征间距。这种空间分离源于Ta-V之间的强亲和力与Zr-Ta/V之间的强排斥力共同作用。更重要的是，不同类型缺陷对局域化学有序结构的调控方式并不相同。低指数晶界可以促进Ta-V局域化学有序结构在晶界附近形成；位错主要改变局域化学有序结构的空间分布，而不显著增加其数量；点缺陷由于具有较高密度和更均匀的空间分布，也能够增强Ta-V团簇的形成。通过置换能谱分析，研究团队进一步建立了元素位点偏好的定量判据：Zr的负净置换能差驱动其向各类缺陷富集，而Ta和V的正净置换能差则解释了它们被排斥在缺陷核心之外的现象。值得注意的是，元素在缺陷处富集并不必然意味着其自身团簇化程度增强。Zr虽然在三类缺陷中均表现出偏聚倾向，但其自身团簇化行为具有缺陷类型依赖性：在晶界处增强，而在位错和点缺陷处受到抑制。

第3项工作建立了晶界化学与局域化学有序结构之间的定量关联，那么第4项工作则进一步建立了缺陷类型与局域化学有序调控之间的系统规律，揭示了Zr偏聚的缺陷普遍性及其差异化调控机制，为理解BCC多主元合金中“缺陷—化学—性能”之间的内在联系提供了更完整的理论框架。

三、研究意义

该系列研究从材料设计、结构表征、理论计算和力学机制等多个层面，系统推进了TiZrNbTaV轻质难熔多主元合金的研究。

通过可解释机器学习建立了面向BCC多主元合金的强韧化设计策略，实现了高强度与良好塑性的协同优化。并在原子尺度揭示了C15型富Ta-V局域化学有序结构的形成机制、形貌演化及其与位错相互作用的强韧化机制，并进一步阐明了晶界、位错和点缺陷对元素偏聚与局域化学有序结构的差异化调控规律。

这些成果不仅加深了对轻质难熔多主元合金中局域化学有序和缺陷化学的理解，也为高性能高温结构材料的成分设计、组织调控和性能优化提供了新的理论依据。

四、致谢

本系列研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、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、辽宁省科学技术重大专项等项目支持。

五、课题组招聘揽才

左小伟研究员团队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配套模拟软件。

• 中子科学中心：运用中子衍射/同步辐射等先进手段，从原子尺度深刻揭示材料强化机制与服役演化规律。
  

  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短期访问开展合作研究，请联系：zuoxw@gbu.edu.cn。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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