铝微调实现Ti50Zr30Nb20-xAlx难熔中熵合金的强塑性协同优化

本文通过精准调控Al含量（0-10 at.%），在Ti50Zr30Nb20-xAlx难熔中熵合金（RMEAs）中实现单相BCC结构稳定化与强塑性协同提升。结合实验（XRD/EBSD/TEM）与计算（CALPHAD/第一性原理），揭示2.5 at.% Al使合金屈服强度达633 MPa且延伸率保持22%，过量Al（>5.0 at.%）则因负混合焓（ΔHmix）导致塑性骤降。冷轧实验证实BCC相在80%变形量下仍稳定，通过扭折带（kink bands）形成促进塑性变形，为极端环境材料设计提供新范式。

　　

Highlight

铝（Al）微调在Ti₅₀Zr₃₀Nb_20-xAl_x难熔中熵合金（RMEAs）中展现出独特的强塑性协同效应。通过调控Al含量（0至10 at.%），合金在保持单相体心立方（BCC）结构的同时，实现了强度与塑性的同步优化。

Phase formation and microstructure of the as-cast alloys

铸态合金的相形成与微观结构研究表明，所有成分均呈现稳定的BCC单相结构。随着Al含量增加，X射线衍射（XRD）显示晶格常数线性减小，表明Al原子引起的晶格畸变效应。电子背散射衍射（EBSD）分析进一步证实，Al的加入显著提升了晶界强化效果。

Strengthening mechanisms

强化机制分析揭示，Al通过三种途径提升强度：1）固溶强化（Δσ_ss），源于Al与基体元素的原子尺寸错配；2）晶界强化（Δσ_gb），Hall-Petch效应主导；3）位错强化（Δσ_ρ），冷轧过程中位错密度显著增加。第一性原理计算显示，Al的引入导致费米能级附近电荷局域化（ELF分析），但未显著改变电子密度分布。

Conclusions

本研究证实，2.5 at.% Al的Ti₅₀Zr₃₀Nb_17.5Al_2.5合金展现出最佳强塑性平衡（屈服强度633 MPa，延伸率22%）。过量Al（>5.0 at.%）会因过强的负混合焓（ΔH_mix）引发塑性恶化。冷轧过程中形成的扭折带（kink bands）通过促进晶格旋转和局部应变分散，成为塑性提升的关键机制。该成果为设计高性能RMEAs提供了理论依据与工艺指导。