2025年2月17日，中國金屬學(xué)會粉末冶金分會主任委員曲選輝教授、副主任委員秦明禮教授和秘書長陳剛教授團(tuán)隊(duì)的研究成果以“Lean design of a strong and ductile dual-phase titanium-oxygen alloy”為題發(fā)表在《Nature Materials》期刊。北京科技大學(xué)為該論文的*通訊單位，曲選輝、秦明禮、陳剛教授，以及澳大利亞昆士蘭大學(xué)Jin Zou教授為共同通訊作者。日本東北大學(xué)、遼寧材料實(shí)驗(yàn)室、韓國延世大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)、澳大利亞昆士蘭大學(xué)、新西蘭奧克蘭大學(xué)、寧波鈦鉭新材料技術(shù)有限公司為該論文的合作單位。

鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度、優(yōu)異耐蝕性、良好生物相容性以及無磁等特點(diǎn)，在航空航天、海洋工程、生物醫(yī)用等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。鈦合金按照組織結(jié)構(gòu)通常可分為密排六方（HCP）α型鈦合金、體心立方（BCC）β型鈦合金和α+β（HCP+BCC）型鈦合金三種類型，盡管α+β型鈦合金綜合性能較好，但通常依賴釩（V）、鋁（Al）、鉬（Mo）、鉻（Cr）等金屬相穩(wěn)定元素合金化而成，成本高，能耗大，消耗戰(zhàn)略資源。

曲選輝、秦明禮、陳剛教授團(tuán)隊(duì)與合作者提出了高強(qiáng)韌鈦合金的素化設(shè)計(jì)新策略，創(chuàng)造出一種新型組織結(jié)構(gòu)——密排六方（HCP）+面心立方（FCC）的雙相鈦合金。該合金中FCC相含量可超過20%，均勻彌散分布于HCP基體中，且兩相界面可呈共格結(jié)構(gòu)。應(yīng)力條件下，納米尺度FCC相內(nèi)部會產(chǎn)生堆垛層錯(cuò)以及應(yīng)力誘導(dǎo)孿晶（TWIP）效應(yīng)，加上其第二相彌散和氧原子固溶的協(xié)同強(qiáng)化作用，使得合金強(qiáng)度得到大幅提升的同時(shí)，仍保持了優(yōu)異的塑性，其室溫抗拉強(qiáng)度為1119.3MPa，屈服強(qiáng)度為1003.5MPa，斷裂延伸率仍達(dá)到23.3%，強(qiáng)度與應(yīng)用*為廣泛的Ti-6Al-4V合金（α+β型鈦合金）相當(dāng)，但其塑性幾乎是后者的2倍，展現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)韌性。

特別是，該新型鈦合金中并未使用釩（V）、鋁（Al）、鉬（Mo）、鉻（Cr）等金屬合金化元素，僅使用了通常認(rèn)為對鈦合金塑性“有害”的氧（O）元素進(jìn)行組織調(diào)控，使合金內(nèi)部生成FCC相。該新型鈦合金是采用3D打印工藝制備，以團(tuán)隊(duì)自主發(fā)明的低成本流化改性純鈦粉（成本較傳統(tǒng)霧化鈦粉降低50%以上）為原料。由于鈦活潑易氧化，在鈦粉表面形成了一層氧化膜，在3D打印過程中冷卻速度極快，氧化膜內(nèi)部的氧原子無法及時(shí)擴(kuò)散，造成氧原子局部富集，結(jié)合打印過程中產(chǎn)生的極大熱應(yīng)力協(xié)同誘導(dǎo)了HCP→FCC的相變反應(yīng)。逐層打印后，大量納米尺度的FCC相均勻彌散分布于HCP基體中，從而制備出了HCP+FCC雙相鈦合金，并且可通過調(diào)控鈦粉顆粒表面氧化膜厚度、氧含量以及打印工藝，有效調(diào)控FCC相的含量、尺寸和分布狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)氧元素在HCP和FCC兩相中的合理分配，*終獲得優(yōu)異的力學(xué)性能。

綜上，該研究創(chuàng)造出一種新型的HCP+FCC雙相鈦合金，豐富了鈦合金材料的家族。特別是，不使用稀有或昂貴金屬合金元素，只使用微量的氧元素進(jìn)行組織性能調(diào)控，不僅顛覆了“氧不利于鈦塑性”的傳統(tǒng)認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)了高性能鈦合金的素化設(shè)計(jì)，而且打破了強(qiáng)度與塑性的制衡關(guān)系，所制備HCP+FCC雙相鈦合金展現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)韌性。該工作為高性能金屬材料的素化設(shè)計(jì)提供了新思路，不僅具有極大的經(jīng)濟(jì)效益，而且有利于資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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