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Huang H, Singh P, Johnson D D, et al. Achieving high tensile strength and ductility in refractory alloys by tuning electronic structure[J]. Nature Materials, 2026, 25: 386-394.
Huang, Hailong, et al. "Achieving high tensile strength and ductility in refractory alloys by tuning electronic structure." Nature Materials 25 (2026): 386-394. (): .
Huang, H., Singh, P., Johnson, D. D., Beniwal, D., Ray, P. K., Ouyang, G., ... & Argibay, N. (2026). Achieving high tensile strength and ductility in refractory alloys by tuning electronic structure. Nature Materials, 25, 386-394., .
背景简介
燃气轮机和蒸汽轮机的效率随工作温度升高而提高，但商用镍基、钴基高温合金熔点接近1500 ℃，且在1000 ℃以上会快速软化。难熔多主元合金通常具有2000 ℃以上的熔点和优异抗软化能力，却普遍面临室温以上韧脆转变、拉伸塑性不足和难加工等问题。已有价电子浓度、Pugh比和Rice判据对难熔多主元合金塑性的预测准确性有限。该研究将机器学习与密度泛函理论结合，以间隙电子电荷密度ρ0表征强度、局部晶格畸变参数（LLD）表征塑性，并综合考虑不稳定层错能（USFE）和化学短程有序（SRO），建立从电子结构出发协同调控强度、塑性和相稳定性的设计路径。
成果介绍
（1）研究团队首先快速扫描等原子比四元难熔合金空间，将单相体心立方NbTaTiV确定为成分优化基准，随后在非等原子比成分空间中同步计算bcc相稳定性、ρ0、LLD、USFE和SRO。图1显示，优化成分Nb4Ta4V3Ti位于稳定单相bcc区域；与等原子比NbTaTiV相比，其LLD由0.142降低至0.060，有利于减少阻碍位错滑移的局部晶格不规则性，而{110}<111>滑移系USFE由575 mJ·m-2提高至657 mJ·m-2，可维持较高晶格摩擦阻力。该成分同时保留较高间隙电荷密度和一定Ti-Ti短程有序倾向，实现相稳定性、强度指标和塑性指标之间的平衡。
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图1 基于电子结构的合金设计过程。(a)Nb-Ta-V-Ti伪三元成分空间中的bcc相分数；(b)间隙电子电荷密度ρ0；(c)Ti含量对LLD和Ti-Ti短程有序的影响；(d)Ti含量对USFE和ρ0的影响
（2）研究团队采用等离子弧熔炼制备约120 g的Nb4Ta4V3Ti铸锭，并在1400 ℃真空均匀化24 h。该合金在铸态和均匀化态均保持单相bcc结构，室温冷轧压下率达到约63%时仍未开裂（图2a）。通过钇屑吸氧、炉冷或油淬，研究进一步区分了间隙氧和化学SRO的作用，其室温拉伸应力-应变曲线如图2b所示。低氧（31 ppm）、快速冷却且无明显SRO的样品屈服强度约0.93 GPa、抗拉强度约1.04 GPa、平均均匀应变约15.5%，相较等原子比NbTaTiV的屈服强度和均匀应变分别提高约30%和20%；低氧慢冷样品则获得约1.0 GPa屈服强度、1.11 GPa抗拉强度和18.2%均匀应变。氧含量由31 ppm升至420 ppm可使强度增加约0.19 GPa，但塑性下降并出现更明显的沿晶断裂（图2c）。EBSD与ECCI还观察到变形扭折带、{112}<111>纳米孪晶、密集交叉滑移带和林位错（图2d、e）。
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图2 Nb4Ta4V3Ti的室温拉伸性能及变形组织。(a)铸态/均匀化态与63%冷轧后的样品；(b)不同冷却方式和氧含量下的工程应力-应变曲线；(c)低氧与高氧样品的断口；(d-e)拉伸后的EBSD和ECCI变形特征
（3）原子探针层析结果表明，慢冷样品中存在直径约1 nm的富Ti团簇（图3a），而快速油淬样品的Ti-Ti径向分布与随机固溶体接近（图3b）。富Ti团簇内Ti含量约58.5 at.%，显著高于基体平均值7.5 at.%，验证了理论预测的化学SRO。纳米压痕下方的TEM分析同时识别出螺型、刃型及混合型位错（图3c），其中大量弯曲的混合位错和具有刃型分量的位错可提供多条塑性变形路径。慢冷形成的SRO因而可在低LLD基体中改变位错剪切方式，使强度与均匀塑性同时提高，而非简单增加晶格畸变。
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图3 短程有序与位错机制。(a)APT重构及富Ti团簇的成分；(b)快速冷却和慢速冷却样品的Ti中心径向分布函数；(c)纳米压痕下方的TEM位错结构及柏氏矢量判定
（4）高温拉伸进一步验证了该设计策略的温度适用性。Nb4Ta4V3Ti在1000 ℃的抗拉强度约为500 MPa，并在1300 ℃仍保持可测的拉伸强度和塑性；其强度保持能力高于多数已报道的单相难熔多主元合金，并进入商用难熔合金的性能区间。无SRO样品的屈服强度随温度变化与Maresca-Curtin刃位错强化模型较为吻合，说明具有刃型分量的位错在高温强度保持中仍可能发挥关键作用。图4的强度-温度和强度-均匀应变对比表明，低氧Nb4Ta4V3Ti在室温强塑性与高温强度之间取得了较突出的综合性能。
致谢
该研究主要获得Ames国家实验室指导研究与发展计划（LDRD）和美国能源部能源效率与可再生能源办公室（EERE）支持，并得到美国空军科学研究办公室（Grant No. FA9550-21-1-0304）、美国能源部聚变能源科学RENEW计划（Grant No. DE-SC0024541）、美国能源部国家核安全局（Contract No. DE-NA0003525）及美国海军研究办公室（Grant No. N000141812180）等资助。本文第一作者：Hailong Huang（Ames National Laboratory），本文通讯作者：Nicolas Argibay（Ames National Laboratory）。
本期小编：曹晔晨 （整理）
周子尧 （校对）
舒 阳 （审核）
董乃健 （发布）
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