高强钛合金对于减轻结构重量、提高服役可靠性以及提升高端制造领域关键部件的性能具有重要意义。然而，这类合金普遍存在强度与延展性难以兼顾的问题，而这与其微观结构对力学行为的响应机制密切相关[1,2]。具有六方最密堆积结构的α析出物通常可通过形态强化和晶粒细化来提升性能[[3], [4], [5]]。而β相则可以通过改变其稳定性来调节强度与韧性之间的平衡。随着β相稳定性的降低，固态相变的驱动力增强，变形机制也从位错滑移转变为应力诱导的相变。虽然这种转变有助于提升合金的延展性，但也会导致屈服强度下降[6,7]。因此，如何控制微观结构以实现优异的强度与延展性协同效应是一大挑战。
许多研究利用α相与β相在晶体结构、尺寸及性能方面的差异，设计了多种多尺度异质微观结构[8,9]。这些不同的组分在应力重分配过程中能够产生协同效应，减轻界面应力集中，促进多种塑性变形机制的产生，从而使各类钛合金具备优异的力学性能。吴等人[10]通过设计三步热处理工艺，利用Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr合金中β稳定元素的区域浓度差异，激活了不同的相变机制，从而形成了包含粗化α层状相和超细α层状相的异质微观结构。与均匀微观结构相比，该合金的抗拉强度提升了6%，伸长率提升了130%。杨等人[11]则通过两步锻造结合固溶处理与时效处理，在Ti-4.5Al-4.5Mo-7V-1.5Cr-1.5Zr合金中获得了由球形和棒状初生α相以及针状次生α相构成的三模态微观结构。与仅有两种α相形态的二元微观结构相比，该合金的极限抗拉强度与总伸长率的乘积提升了23%。这些结果都表明，对两种相进行多尺度或分级调控能够显著提升高强钛合金的延展性。需要指出的是，由大量分散的次生α相带来的界面强化效应，依然是提升钛合金强度的关键因素。因此，在传统钛合金设计中，为了形成亚稳态β相，不得不大量添加β稳定元素[[12], [13], [14]]。不过，过量添加β稳定元素不仅会增加成分精确控制的难度，还会降低微观结构的稳定性，这在一定程度上限制了高强钛合金在大型构件中的应用。
激光直接能量沉积技术为推动大型钛合金构件的工程应用带来了巨大潜力[15]。该技术具有极快的熔化速度和快速凝固的特点，能够形成过饱和固溶体以及超细微观结构，这一特性已在Ti-6Al-4V、Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V和Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si等中等强度双相钛合金中得到验证[[16], [17], [18]]。这类合金能够实现良好的强度与延展性平衡，而且通过添加一种或多种合金元素还可以进一步优化其力学性能[[19], [20], [21]]。然而现有研究表明，通过激光直接能量沉积技术制备的许多传统高强钛合金，其强度与延展性的协同效果不如经过锻造处理的同类合金。这主要是由于连续的晶界α相、无析出物区域以及高含量β稳定元素导致的相界面应力集中所造成的[2,[22], [23], [24]]。尽管人们已经尝试通过调整增材制造工艺和优化热处理参数来调控微观结构，但在解决上述问题方面进展有限[[25], [26], [27]]。这表明，依赖大量β稳定元素的传统高强合金设计策略可能不适用于激光直接能量沉积技术。因此，开发β稳定元素总量较低、且通过增材制造与热处理手段能够调控多尺度α相分布的激光直接能量沉积友好型双相钛合金，是实现钛合金优异强度与延展性协同效应的可行途径。
为了解决激光直接能量沉积法制备的近β钛合金在强度与延展性平衡以及复杂热处理工艺方面面临的难题，本研究设计了一种新型双相钛合金，其名义成分为Ti-6.7Al-2Zr-4Mo-1Fe-1Cr（重量百分比：Ti72411）。通过简单的双重退火处理，便能获得由微米级叉状初生α相（αp）、纳米级次生α相（αs）以及保留的β相构成的多尺度微观结构。叉状形态的形成源于溶质扩散对αp生长速率的不同调控。不同形态和尺寸的α相会表现出不同的变形行为。在该合金中，即使少量添加β稳定元素，也能实现1313 MPa的超高抗拉强度和10.8%的伸长率，从而实现了强度与延展性的良好协同。对比分析表明，与众多通过激光直接能量沉积技术制备的高强近β钛合金相比，该合金具有更优的比强度和全面的力学性能。本研究不仅为设计高性能的激光直接能量沉积友好型钛合金提供了新思路，也为双相高强钛合金的微观结构调控和力学性能优化提供了理论依据。
