组合库技术加速纳米结构难熔中熵合金的微观结构与相稳定性研究

为解决纳米结构材料在高温应用中的稳定性难题，研究人员通过组合合成与高通量表征技术系统研究了(TiZr)xTa1?x、(TiZr)xNb1?x和(TiZr)x(NbTa)1?x三种中熵合金(MEAs)。研究发现Ta组分可诱导异常面心立方(fcc)相形成，而Nb则促进体心立方(bcc)相稳定，该成果为复杂纳米合金的快速筛选提供了新范式。

　　

在材料科学领域，纳米结构合金的稳定性问题犹如悬在研究者头顶的达摩克利斯之剑——尤其是当这些材料需要在高温环境下服役时。近年来兴起的多组分合金，如中熵合金(Medium Entropy Alloys, MEAs)和高熵合金(High Entropy Alloys, HEAs)，虽然展现出卓越的力学性能和耐热特性，但其庞大的成分空间和复杂的相变行为使得传统"试错法"研究举步维艰。更棘手的是，这些合金中微小的成分变化就可能引发微观结构的"蝴蝶效应"，导致性能的剧烈波动。

来自加拿大多伦多大学(University of Toronto) Acceleration Consortium的研究团队另辟蹊径，采用组合材料芯片技术对这一难题发起挑战。他们聚焦于难熔金属体系的(TiZr)_xTa_1?x、(TiZr)_xNb_1?x和(TiZr)_x(NbTa)_1?x三个纳米合金系统，通过磁控共溅射制备成分梯度薄膜，结合同步辐射X射线衍射和高通量退火实验，在《Materials Today Quantum》上揭示了Ta元素在相稳定中的独特作用机制。

研究团队运用三大关键技术：直流磁控共溅射(DC magnetron co-sputtering)制备成分连续变化的合金薄膜库；真空退火装置实现200-400°C温度区间的高通量热处理；同步辐射X射线衍射(Synchrotron XRD)进行纳米尺度结构解析。这些方法共同构成了从制备到表征的完整研究链条。

高熵合金相变行为解析
通过对比三个合金系统的XRD图谱发现：(TiZr)_xNb_1?x和(TiZr)_x(NbTa)_1?x在所有成分下均保持稳定的bcc结构，而(TiZr)_xTa_1?x却展现出"分裂人格"——在Ta含量较高区域(x < 0.27)意外形成亚稳态fcc相，在TiZr富集区则形成bcc纳米晶与非晶基体的复合结构。高分辨电镜证实这些异常结构在退火后会转变为稳定bcc相。

元素协同效应揭秘
研究首次明确了Nb和Ta的差异化作用：Nb如同"结构稳定剂"，始终促进bcc相形成；而Ta则扮演"相变扰动者"，在特定成分区间能打破能量平衡，诱导fcc相生成。这种效应源于Ta原子较大的半径差(与Ti/Zr相差约10%)导致的晶格畸变，以及其独特的电子结构对费米能级位置的调控。

结论与展望
该研究不仅建立了首个TiZr基难熔MEA系统的成分-结构-温度数据库，更揭示了多组分合金中元素间的非线性相互作用规律。Yu Zou团队发现的"Ta诱导亚稳相形成"现象为设计新型纳米结构合金提供了全新思路，其开发的高通量实验范式可将新材料研发周期缩短约70%。这些发现对开发高温结构材料、生物植入材料和功能薄膜器件具有重要指导意义，特别是为航空航天领域急需的耐高温轻质合金指明了成分设计方向。