氧介导高均匀塑性：破解α-β钛合金强度-均匀伸长率权衡新策略

《Nature Communications》：Oxygen-mediated high uniform plasticity in α-β titanium alloys

本研究针对高强度α-β钛合金长期存在的屈服强度与均匀伸长率之间的固有矛盾，提出了一种将高氧含量从脆化因素转化为性能助推器的双策略设计。通过利用高氧(≥0.40%)激活α相中显著的锥面滑移，并结合激光粉末床熔融技术构建定制化α-β微观结构，实现了跨相界面的持续滑移传递。所得Ti-0.45O-4Fe合金在屈服强度≥980 MPa时均匀伸长率≥14%(总伸长率≥27%)，Ti-0.5O-5Fe在≥1075 MPa时均匀伸长率≥13%(总伸长率≥23%)，突破了传统性能极限。

　　

在航空航天、国防军工和生物医疗等高端装备领域，钛合金因其优异的比强度和耐腐蚀性成为不可替代的关键材料。然而，其发展长期受限于一个比传统强度-塑性矛盾更为棘手的根本性难题：随着屈服强度的提升，均匀伸长率会急剧下降至仅有个位数百分比。这意味着高强度钛合金构件在服役过程中一旦发生塑性变形，会迅速出现应变局部化而导致早期失效，严重制约结构可靠性。

更令人担忧的是，高氧含量通常被视为钛合金的"毒药"，会加剧脆化倾向。西北工业大学沈江华团队与合作者在《Nature Communications》发表的最新研究，颠覆了这一传统认知。他们巧妙地将高氧含量转化为性能优势，开发出兼具超高强度和高均匀塑性的α-β钛合金，为解决这一长期瓶颈提供了全新范式。

研究策略与技术创新

团队采用双管齐下的设计策略：首先利用高氧含量(≥0.40%)激活α-钛中第二类锥面滑移，弥补c轴变形能力不足；其次通过合金设计(Ti-O-Fe)、激光粉末床熔融(PBF-LB)和退火处理，构建具有相干界面的层片状α-β微观结构，实现滑移跨界面持续传递。

关键技术方法包括：采用电极感应气体雾化制备球形Ti-0.45O-4Fe粉末；利用激光粉末床熔融技术实现超高速冷却(10⁶-10⁷°C/s)和细等轴β晶粒调控；通过系统退火处理(600-900°C/1h)消除亚稳相、释放残余应力并优化层片厚度；结合原位EBSD(电子背散射衍射)和TEM(透射电子显微镜)分析变形机制。

微观结构调控与性能突破

研究显示，PBF-LB成形的Ti-0.45O-4Fe合金呈现平均尺寸28±15μm的超细等轴β晶粒，创下块体α-β钛合金纪录。每个晶粒内包含87±24nm的超细α-β层片，形成分级结构。

800°C/1h退火后获得理想微观结构：α层片厚度2.43±0.44μm，β相体积分数22%，相干界面符合Burgers取向关系。TEM观察显示稀疏位错和清晰的跨界面位错传递证据。

力学性能与变形机制

力学测试结果令人振奋：800°C退火样品屈服强度>980MPa时，均匀伸长率达14.0±0.3%，总伸长率27±1.4%。应变硬化率在颈缩前达1200-2000MPa，媲美高塑性7xxx铝合和先进高强钢。

原位EBSD分析揭示了关键变形机制：{1122}滑移占主导(52%)，验证了高氧激活锥面滑移的设计理念。观察到20-30μm长滑移迹横跨4-10个α-β界面，几何相容因子m'值为0.8-1.0。

普适性验证与拓展应用

为验证设计框架普适性，团队开发了Ti-0.5O-5Fe合金。该材料屈服强度提升至≥1075MPa，仍保持13.2±0.2%均匀伸长率和23.7±0.2%总伸长率，变形机制与Ti-0.45O-4Fe高度一致。

结论与展望

本研究通过创新性的"高氧激活+微观结构工程"双策略，成功将钛合金中最令人头疼的氧脆化问题转化为性能提升的突破口。设计的Ti-O-Fe合金在屈服强度超过传统高强钛合金的同时，均匀伸长率实现翻倍提升，突破了长期存在的性能瓶颈。

该工作不仅为高性能钛合金设计提供了新范式，还具有重要可持续发展意义：可利用废钛料、再生高氧粉末或高纯度金红石原料，降低对高纯度海绵钛的依赖。其间隙元素工程理念还可推广至Ti-N-Fe等其他合金体系，为结构材料低碳发展开辟新途径。