难熔高熵合金（RHEAs）因含四种及以上难熔元素、多呈单相BCC/FCC结构，具备优异高温强度与热稳定性，在航空航天等领域潜力显著，但原子尺寸失配等引发的置换固溶强化会导致应变局部化，形成强度-塑性权衡难题。现有置换合金化受最大晶格畸变限制，间隙掺杂虽有潜力却存在部分HEAs仍以平面滑移为主、TEM 表征视野有限等问题。

近日上海交通大学&江南大学研究团队研究了氧间隙对一种新型TiZrV_0.5Nb_0.5合金拉伸性能的影响，发现增加了2at.%的O后抗拉强度提高到了1159Mpa，研究结果以“Understanding strength-ductility enhancement in an oxygen-doped refractory high-entropy alloy by multi-scale characterization and DFT calculations”为题发表在了期刊《Scripta Materialia》上。通讯作者为上海交通大学王乐耘研究员和江南大学陈义文老师。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2025.116825

【核心内容】

氧掺杂使合金屈服强度从944MPa提升至1108MPa、拉伸伸长率从12.8%增加到了22.9%，且保持合金的单相BCC结构和约70μm的相近晶粒尺寸，其机制为氧通过间隙固溶强化提升强度，同时使堆垛层错能从407mJ/m²升至1354mJ/m²以促进位错交滑移、改善塑性，并证实氧间隙工程是突破RHEAs强度和塑性权衡的有效策略。

图形摘要

【研究方法】

该研究通过熔炼、90%冷轧、1000℃真空均质化以及水淬处理制备了TiZrV_0.5Nb_0.5基体合金和含2at.%氧的掺杂合金，使用了XRD、SEM和EBSD分析了相结构与晶粒尺寸，使用TEM等方式观察位错，并计算了堆垛层错能，以探究氧掺杂影响及机制。

【研究成果】

① 力学性能及微观结构特征

对TiZrV_0.5Nb_0.5合金进行2at.%氧掺杂后，合金的屈服强度从944MPa提升到了1108MPa，拉伸伸长率从12.8%增加到了22.9%，比强度达200MPa⋅cm³/g，优于多数已报道BCC型难熔高熵合金（RHEAs）。两种合金均保持单相体心立方（BCC）结构，基体合金与氧掺杂合金平均晶粒尺寸相近，分别为71μm、75μm，氧掺杂对相结构和晶粒尺寸影响极小。

氧掺杂前后力学性能及微观组织

② 氧掺杂微观强化机制

基体合金以平面滑移为主，区域占比26.5%，氧掺杂合金后平面滑移占比降低到了13.9%，而交滑移占比达23.6%。密度泛函理论（DFT）计算表明，氧使合金堆垛层错能（SFE）从407mJ/m²提升至1354mJ/m²，增幅达到了233%，远超交滑移激活阈值（700mJ/m²），促进了位错交滑移以改善塑性。另外，氧通过间隙固溶强化提升强度，氧原子引发显著四方晶格畸变，经Labusch模型估算，氧使强度提升量为152.3MPa，该值与实验值（164MPa）高度吻合。

劳厄微衍射实验结果

劳厄微衍射扫描方案示意图

两种合金在5%拉伸应变下（a, c）和断裂后基体（b, d）的TEM图

TiZrV_0.5Nb_0.5系统2at.%氧掺杂前后的SFE曲线和不同BCC RHEA的γ_usf值比较

【总  结】

该研究展示了一种通过氧间隙改善RHEAs中强度和塑性权衡的新方法，发现氧掺杂通过间隙固溶强化来提高强度，并通过提高层错能来提高塑性，从而促进交叉滑移。从平面滑移到交叉滑移转变的机制使得应变分布更加均匀，延迟颈缩的发生，抑制过早断裂。