大湾区大学左小伟课题组联合中山大学、太原科技大学、中国科学院金属研究所，在难熔高熵合金晶界偏聚机理研究中取得最新进展。相关成果以“Zr segregation at grain boundaries modulating C15-like local chemical ordering in BCC TiZrNbTaV multi-principal element alloys”为题，发表于国际知名期刊 Materials Research Letters（2025中科院一区TOP， IF=7.9）。大湾区大学物质科学学院、东莞市先进材料与大科学装置前沿交叉重点实验室及大湾区高等研究院为论文通讯单位。大湾区大学孟智超博士、大湾区大学与中山大学联培博士生李政和太原科技大学访问硕士生李旭涛为论文共同第一作者，通讯作者为大湾区大学左小伟副教授。本工作由国家自然科学基金、中国博士后科学基金面上项目、广东省基础与应用基础研究基金、松山湖材料实验室开放课题、辽宁省科学技术重大专项支持。

研究背景

体心立方（BCC）结构多主元合金（MPEAs）在高温结构材料领域展现出巨大潜力，然而其实际工程应用仍受两大关键瓶颈制约：局域化学有序（LCO）形成机制不明确，以及晶界等晶体缺陷对LCO调控作用的定量理解匮乏。传统研究多聚焦于元素亲和力对LCO的驱动作用，却忽略了晶界元素偏聚这一动态过程对原子尺度化学有序化的深刻影响。特别是对于轻质TiZrNbTaV系BCC MPEAs，虽然其优异的力学性能已被初步证实，但Zr元素在晶界处的析出行为如何影响LCO的形成，以及这种影响是否具有晶界类型依赖性，迄今仍缺乏系统的理论认知与原子尺度验证。这些科学盲区阻碍了通过精准调控LCO来实现微观结构设计和高性能合金开发。

本团队前期已成功构建了TiZrNbTaV多主元合金的机器学习强塑性模型（Journal of Materials Science & Technology, 256 (2026): 178–192），并通过揭示LCO形貌对塑性变形机制的调控作用，实现了合金强度与塑性的优异匹配（Acta Materialia, 307 (2026): 121960）。在此基础上，本研究致力于进一步揭示Zr晶界偏聚与富Ta-V LCO形成之间的内在关联，结合混合蒙特卡洛/分子动力学（MC/MD）模拟、深度学习及原子尺度实验表征，系统解析了不同晶界类型下Zr偏聚对LCO形成路径的调控机制，旨在为高强MPEAs的微观结构工程提供理论基础。这是团队继上述两项工作之后，在BCC多主元合金LCO形成机制方面取得的又一重要进展。

研究成果

本研究系统揭示了BCC TiZrNbTaV多主元合金中Zr晶界偏聚对C15型LCO形成的调控机制。研究结果表明，尽管Ta-V之间的强亲和力是C15型LCO形成的主要驱动力，但晶界处Zr的自偏聚行为也可显著影响LCO形成。结合原子尺度模拟、实验表征及深度学习分析，明确了这种调控作用具有显著的晶界类型依赖性：低指数晶界（如Σ3、Σ5）促进LCO形成，而高指数晶界（如Σ31、Σ33）则表现出抑制效应。进一步的能量分析证实，Zr向晶界的偏聚有效降低了体系能量，是其优先占据晶界位置的根本原因。原子尺度表征（STEM/EDS）直观验证了约2 nm厚Zr富集层的存在，与模拟预测高度吻合。本研究的创新点在于：将晶界化学、元素偏聚动力学与LCO形成之间建立定量关联，突破了传统仅考虑元素亲和力的单一视角。这一发现不仅为理解BCC MPEAs中缺陷与LCO的相互作用提供了全新的理论框架，更为通过晶界工程与LCO协同设计开发高强韧合金奠定了坚实的理论基础。

课题组招聘揽才

本课题组专注于先进金属结构材料研究，聚焦于基础材料科学及机器学习辅助材料设计与开发等前沿领域。

依托物质科学学院，已建成系列先进研究平台：

• 材料制备与加工平台：激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造系统、原位中子衍射高梯度定向凝固设备、冷坩埚电磁悬浮熔炼炉、高真空非自耗电弧熔炼炉、冷/热双辊轧机。
• 材料测试与分析平台：维氏硬度计、多物理场（热/电）纳米压痕仪、万能材料试验机、疲劳试验机（配备DIC数字图像相关系统）。
• 材料计算平台：高性能计算集群及相关模拟软件。
• 中子科学中心：运用中子衍射/同步辐射等先进手段，从原子与晶格尺度深刻揭示材料强化机制与服役演化规律。

诚邀对上述研究方向感兴趣的博士后、博士生及硕士生加入团队或短期访问开展合作研究，请联系：zuoxw@gbu.edu.cn。