近日，南方科技大学机械与能源工程系逯文君研究员团队与瑞典皇家理工学院李晓庆等合作，以“An ultra-low modulus of ductile TiZrHfTa biomedical high-entropy alloys through deformation induced martensitic transformation/twinning /amorphization”为题在国际学术期刊Advanced Materials发表论文。该成果报道了一种兼具低弹性模量与良好塑性的亚稳TiZrHfTa生物高熵合金（弹性模量29-37GPa，塑性~25%），通过第一性原理计算，筛选由无毒害元素构成具有低BCC（体心立方）相稳定性、低原子键结合力的单相亚稳BCC TiZrHfTa合金成分，实现了合金的低弹性模量。同时，团队在合金中引入应力诱发马氏体相变，马氏体孪晶，非晶相变机制，使合金具有良好的塑性。该亚稳TiZrHfTa生物高熵合金突破了传统生物医用合金无法兼顾低弹性模量和高塑性的瓶颈，在医用域具有重大应用前景。

生物医用合金因其出色的机械性能，被广泛用于医学植入材料和治疗设备中，尤其是在需要替代硬组织（如骨组织等）的生物植入体。通常医用合金的弹性模量远高于人体骨骼，在长期使用中会产生“应力屏蔽”现象，可能会导致植入体松动，甚至植入体周围骨骼骨折。医用合金的塑性也是其服役及生产过程中的十分重要指标。因此理想生物医用合金应该兼具低弹性模量和较高的塑性。然而，传统合金的弹性模量有限（45-210GPa），与人体骨骼（~30GPa）尚有较大差距，且弹性模量低的合金往往塑性有限。因此如何获得兼具接近人体骨骼的低弹性模量及良好的塑性，成为了发展生物医用合金亟待解决的技术难点。

为此，逯文君研究员及其合作者，通过第一性原理计算与实验相结合的方法，设计并制备了一种由无毒无害组成，兼具低弹性模量和高塑性的亚稳BCC TiZrHfTa生物高熵合金。通过第一性原理计算设计合金成分，使该合金初始状态为低弹性模量的单相BCC结构且具有低于传统钛合金的原子键结合力，最终使合金具有低弹性模量。通过原位电镜技术对材料在拉伸过程中微观组织变化进行细致表征，发现合金在拉伸过程中极易发生应力诱发马氏体相变、马氏体孪晶、最终使合金具备极高的加工硬化和良好的塑性。在大形变区域，马氏体中的非晶化相变过程也分别在宏观及微观拉伸试样被观察到，非晶化相变有助于减缓裂纹拓展，提高塑性。此外，本工作也对TiZrHfTa生物高熵合金进行了生物毒性分析，证明其具有优异的生物相容性。

图1 TiZrHfTa生物高熵合力学曲线图及其弹性模量与塑性对比图（相比于其他类型的生物医用合金）

图2 应力诱发马氏体相变及马氏体孪晶的多尺度表征图

图3 原位纳米/原子级拉伸表征图

南方科技大学博士后钱柄男为论文第一作者，研究员逯文君为论文唯一通讯作者，南科大为唯一通讯单位。第一性原理计算工作由瑞典皇家理工学院李晓庆完成，生物毒性测试实验由苏州大学王玉完成。该工作获得国家自然科学基金、松山湖实验室开放基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技创新局、南方科技大学测试中心、瑞典研究委员会、Göran Gustafssons基金会、Carl Tryggers基金会和瑞典战略研究基金会的资助与支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202310926