通过退火诱导的异质结构，打破TiAlZrNbV轻质多主元素合金中的强度-延展性权衡

《ACTA MATERIALIA》：Breaking the strength-ductility trade-off in TiAlZrNbV lightweight multi-principal element alloys via annealing-induced heterostructure

新型轻质多主元合金通过异质结构设计实现高强度高延展性

　　

张成全|毛一琳|苏晨|张鹏成|谭晓东|郭胜峰

中国重庆西南大学材料与能源学院，400715

摘要

轻质多主元素合金（LMPEAs）由于其卓越的比强度而成为结构材料的突出候选者。然而，它们受到强度-延展性权衡的固有限制，这种限制在体心立方（BCC）结构的LMPEAs中尤为明显。本文通过综合成分设计结合轧制和短期退火，成功构建了一种包含非再结晶区和再结晶区的异质结构，从而克服了这一障碍。这种异质结构的（Ti₅₀Al₁₀Zr₂₀Nb₂₀)₉₂V₈ LMPEA表现出超过1300 MPa的超高抗拉强度和约18%的显著延伸率。这一反直觉现象主要归因于这些不同区域之间的差异兼容性，在它们的界面产生了异质变形诱导的背应力，从而协同增强了强度和延展性。

引言

近年来，航空航天、高速铁路、造船等领域的发展迅速，迫切需要具有优异机械性能的轻质金属。然而，开发高性能金属面临两个主要挑战。首先，强度-延展性权衡阻碍了现有材料系统中机械性能的协同提升[1]。其次，能源效率要求和环境限制要求创造具有高性能和低碳排放的新材料系统。因此，轻质金属结构材料成为克服这些限制的关键研究方向。多主元素合金（MPEAs）最近显示出超越传统合金性能的巨大潜力，这归因于高熵、晶格畸变、缓慢扩散和混合效应等独特效应[2,3]。这种潜力促使人们引入低密度合金元素，从而开发出了轻质多主元素合金（LMPEAs）。目前的LMPEAs研究主要遵循两条路径：基于Al-Mg-Li系统的超轻合金，虽然显著减轻了重量，但在600-800°C时机械性能不足[[4], [5], [6]]；以及基于Ti-V-Zr系统的高强度轻质合金，这些合金表现出良好的机械性能和高温稳定性[[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]。然而，后者仍然受到强度-延展性权衡的制约。例如，Zr_1.2V_0.8NbTi_xAl_y合金在轧制和退火后强度从600 MPa提高到1000 MPa，但延伸率显著降低，从14%降至3.7% [8]。同样，Ti₃Zr_1.5VNbAl_x合金在Al含量增加到0.75%时抗拉强度超过1000 MPa，但延展率大幅下降[10]。通过控制（Ti_1.5V)_xZrNb合金的成分，屈服强度从800 MPa提高到900 MPa，同时延展率从35%降至10%，这归因于HCP相的晶界沉淀[16]。尽管现有的强化策略可以有效提高LMPEAs的室温强度，但通常会牺牲延展性，表明持续的强度-延展性权衡仍然是工程应用中的重要障碍。

为了克服LMPEAs中固有的强度-延展性权衡，采用了三种主要的强化策略，包括孪晶诱导塑性（TWIP）[[17], [18], [19]]、变形诱导塑性（TRIP）[[20], [21], [22]]和构建异质结构[[23], [24], [25], [26], [27], [28], [29]]。然而，现有研究主要集中在FCC结构体系上，对BCC合金的研究相对较少。BCC合金的滑移系统比FCC合金更难以激活，导致延展性较差，因此通过轧制和退火过程进行微观结构控制面临挑战。通过传统强化机制在BCC LMPEAs中实现强度和延展性的协同增强仍然具有挑战性。

为了解决同时提高BCC结构LMPEAs的强度和延展性的问题，开发了一种新型的（Ti₅₀Al₁₀Zr₂₀Nb₂₀)_100-xV_x合金体系。通过系统优化热机械加工参数，实现了高强度和延展性的良好平衡。准原位电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）分析阐明了主要的变形机制，从而明确了观察到的强度-延展性协同作用的微观力学基础。这一研究范式为减轻BCC-LMPEAs及类似合金系统的强度-延展性权衡提供了技术见解和理论指导。

合金设计中的密度泛函理论方法

总能量计算采用密度泛函理论（DFT）方法进行，具体使用的是维也纳从头算模拟包（VASP）中的平面波赝势方法（PAW）[30]。非自旋极化的广义梯度近似（GGA）采用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）DFT交换相关泛函[31]。对于Zr、Ti、Nb和V，采用DFT+U方法来准确描述它们的强关联效应

合金设计策略

Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W元素是耐火多主元素合金中常用的元素。在我们的研究中，合金设计主要考虑两个方面。首先，所选的元素组合相比含有Mo（10.28 g/cm3）、Hf（13.31 g/cm3）、Ta（16.65 g/cm3）或W（19.25 g/cm3）的系统能够显著降低密度。其次，该体系减少了脆性相的形成倾向，特别是Cr

异质结构的形成与强化机制

FCC合金中异质结构的形成通常受多种因素影响，包括轧制应变、退火温度和时间[[83], [84], [85]]。足够的轧制应变通常会在退火过程中形成细晶粒异质结构，从而实现充分的强化。然而，对于BCC金属来说，在室温下通过轧制实现足够的变形具有挑战性。在本研究中，（Ti₅₀Al₁₀Zr₂₀Nb₂₀)_100-xV_x LMPEAs表现出优异的性能

结论

本研究成功开发了（Ti₅₀Al₁₀Zr₂₀N₂₀)₉₂V₈ LMPEAs，其在室温下的轧制性能优异。经过严重变形和短期退火后，该合金体系的屈服强度达到1336 MPa，延伸率为18%，其性能超过了之前报道的含TiZrNb的LMPEAs。这种优异的性能源于非再结晶区和再结晶区组成的双重异质结构的协同效应，以及双峰粒径分布

作者贡献声明

张成全：数据整理、研究方法、数据分析、撰写初稿。毛一琳：数据整理、研究方法。苏晨：数据整理、研究方法。张鹏成：研究、撰写与编辑。谭晓东：研究方法、撰写与编辑。郭胜峰：概念构思、数据整理、资金获取、监督、撰写与编辑。

作者贡献声明

张成全：撰写初稿、研究方法、数据分析。毛一琳：研究方法、数据整理。苏晨：研究方法、数据整理。张鹏成：撰写与编辑、研究。谭晓东：撰写与编辑、研究方法、研究。郭胜峰：撰写与编辑、监督、资金获取、数据整理、概念构思。