退火态富钛高熵合金的卓越拉伸延展性与意外高比强度研究

针对传统钛合金比强度(SS)高但拉伸延展性(TE)差的瓶颈，研究人员通过高熵合金(HEA)设计开发出轻量化Ti50V16Nb16Al15Mo3合金（密度5.31 g/cc），经退火后实现37% TE与217 N·m/kg SS的优异组合。该突破源于β1/β2异相结构的协同变形机制，为航空航天轻量化材料提供了新选择。

　　

钛合金因其出色的比强度（强度与密度之比）长期占据航空航天材料的核心地位，但传统Ti-6Al-4V等合金存在室温拉伸延展性差、加工成本高的致命缺陷。虽然通过添加铌、钼等β相稳定元素或复杂热机械加工可部分改善性能，却又面临密度增加、成本攀升的新难题。印度理工学院焦特布尔分校的研究团队独辟蹊径，采用高熵合金设计理念，成功开发出兼具超高延展性和比强度的Ti₅₀V₁₆Nb₁₆Al₁₅Mo₃轻质高熵合金（L-HEA），其突破性成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

研究团队通过电弧熔炼制备合金铸锭，结合1000℃/30分钟退火处理，利用X射线衍射(XRD)、原子探针断层扫描(APT)等技术分析微观结构，并通过室温拉伸试验评估力学性能。关键发现包括：退火后形成的β₁（富Ti/V相）与β₂（富Nb/Al相）双相结构呈现纳米级共连续分布；异相界面在变形早期诱发异质变形，后期β₁相多滑移系与β₂相单滑移系协同作用，最终实现1.15 GPa抗拉强度和37%延伸率的完美平衡。

Alloy design philosophy
通过去除参考合金中的锆元素（Zr），将Ti含量提升至50 at%以上，同时调整钒（V）、铌（Nb）比例，使价电子浓度(VEC)维持在4.27，确保β相亚稳态特性。

Microstructural evolution
APT三维重构揭示β₁相（Ti/V富集）与β₂相（Nb/Al富集）的化学偏聚，退火使相域尺寸从铸态的微米级缩减至亚微米级，这种细化是强度提升的关键。

Mechanical properties
相比铸态样品，退火后合金比强度提升21%，这归因于晶界强化与异相界面强化的协同效应；而异常高的延展性则源于变形过程中位错在β₁相的多滑移系激活与β₂相平面滑移的独特配合。

该研究开创性地证明：通过精确控制相组成与热处理，无需复杂加工即可在富钛高熵合金中实现强度-延展性的协同提升。其5.31 g/cc的密度与217 N·m/kg的比强度，较传统钛合金减重15%以上，为新一代航天器结构材料提供了革命性解决方案。Nene S. S.团队提出的异相域协同变形机制，更为多组元合金设计提供了全新理论框架。