难熔NbTiZrM（M=Ta,Mo,V）复合浓缩合金的结构-性能-氧化行为协同调控机制研究

针对航空航天领域对高性能耐高温材料的迫切需求，俄罗斯研究团队系统探究了Ta/Mo/V元素(10-40 at%)对单相体心立方(bcc)结构NbTiZr合金的相组成、力学性能(22-1000°C屈服强度σYS )及1000°C氧化行为的影响。发现Ta/Mo可线性提升高温强度，V则导致高温强度劣化；Ta能短期抑制氧化层剥落，而V加速合金崩解。该研究为 refractory complex concentrated alloys (RCCAs) 的成分设计提供了重要实验依据。

　　

在航空航天领域，耐高温材料犹如飞行器的"铠甲"，其性能直接决定极端环境下的服役安全。传统 refractory alloys（难熔合金）如NbMoTaW虽在1600°C仍保持405 MPa的σ_YS
，但室温塑性不足2%且密度>13 g/cm³
；而密度仅6.34 g/cm³
的NbTiZr合金虽具优异室温塑性（压缩应变ε>50%），却存在高温软化和氧化剥落(pesting oxidation)两大致命缺陷。如何通过成分设计实现强度-塑性-抗氧化性的协同提升，成为 refractory complex concentrated alloys (RCCAs) 研发的核心挑战。

俄罗斯科学基金会资助的研究团队选择NbTiZr为基体，通过真空电弧熔炼制备了Ta/Mo/V含量梯度变化的(NbTiZr)_100-x
M_x
(x=10,25,40 at%)系列合金。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜-能谱(SEM-EDS)表征微观结构，结合CALPHAD（CALculation of PHAse Diagrams）相图计算和高温压缩/氧化实验，系统评估了合金化元素对性能的影响规律。机器学习(ML)方法被用于验证实验数据的可靠性。

Materials and Methods
研究团队通过真空电弧熔炼制备40g合金铸锭，使用XRD和SEM-EDS分析相组成与元素分布。力学性能测试涵盖22-1000°C温度区间的压缩实验，氧化行为评估通过1000°C不同时长(1-20h)的暴露实验完成。CALPHAD计算用于预测相变行为，并与机器学习预测结果进行对比验证。

(NbTiZr)_100-x
Ta_x
alloys
Ta的添加使晶格参数线性减小（Ta₄₀
合金减小0.004 nm），形成Ta富集枝晶。在22-1000°C范围内，Ta使σ_YS
线性提升，每增加1 at% Ta，室温σ_YS
提高12 MPa，1000°C时提升3.5 MPa。短期氧化(1h)时，Ta₄₀
能完全抑制氧化层剥落。

Effect of alloying on the structure
CALPHAD分析显示：Ta/Mo扩大凝固温度区间但保持单相bcc结构；V在40 at%时引发Zr/V富集相分离，形成与Nb基体呈"cube-on-cube"取向关系的两相结构。Mo的强化效应在22-800°C是Ta的2-3倍，但1000°C时与Ta相当；V虽提升室温强度，却导致800°C后强度急剧下降。

Conclusions
该研究揭示：1) Ta/Mo保持单相bcc结构，而V≥40 at%引发相分离；2) Mo的室温强化效率最高（每1 at%提升19 MPa），Ta的高温稳定性最优；3) 氧化动力学显示Ta的短期保护作用显著，但长期暴露后所有合金均发生剥落，V加速氧化失效。这些发现为RCCAs的成分设计提供了关键数据支撑，特别是证实了ML预测高温性能的局限性，强调实验验证的必要性。

该研究的创新性在于首次建立Ta/Mo/V含量与NbTiZr合金多尺度性能的定量关系，突破传统"试错法"研发模式。通过揭示元素偏析枝晶与"cube-on-cube"析出相的强韧化机制，为开发兼具低密度(6-7 g/cm³
)、高塑性(ε>20%)和优异高温强度(σ_YS

200 MPa@1000°C)的新一代航空材料指明方向。研究结果已发表于《Materials Science and Engineering: A》，对推动机器学习辅助的合金设计具有重要方法论意义。