近日，西北工业大学航空学院沈将华教授团队与澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）马前教授团队深度合作，联合悉尼大学、日本大阪大学的合作者，在《Nature Communications》发表题为 “Oxygen-mediated high uniform plasticity in α-β titanium alloys” 的突破性研究。成果颠覆传统认知，为高性能钛合金研发开辟新路径。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-65851-4

论文第一作者为西工大博士生杨亚辉，沈将华教授和马前教授担任共同通讯作者。

 研究背景

钛合金是航空航天、海洋工程及生物医疗等领域的关键材料，然而其性能发展长期受两大核心挑战制约：其一是强度与塑性的权衡困境——当屈服强度超过800 MPa时，常见α-β钛合金的均匀伸长率通常低于5%，这不仅影响结构安全，也限制了材料性能潜力的发挥；其二为高氧引起的脆化难题——氧作为难以完全避免的元素，虽能显著强化合金，但含量超过0.20 wt.%后，会抑制形变孪生，导致塑性下降与脆化倾向加剧。

针对上述瓶颈，研究团队基于激光粉末床熔融（PBF-LB）增材制造技术，提出“高氧合金化+微观结构协同设计”双轨策略，突破了“高氧致脆”的传统认知，将氧含量提升至0.45–0.50wt.%。该成分设计能有效激活α相锥面<c+a>滑移系，为显著提高α-β钛合金的均匀塑性提供了科学基础。微观组织方面，采用低成本铁作为β相稳定与强化剂，结合PBF-LB工艺制备出晶粒细小的钛合金；再经800℃/1h退火消除有害ω相，形成稳定的α-β片层组织。此外，退火降低位错密度，促进了位错跨界面传递，最终实现了材料性能的跨越式提升，兼具重要的科学价值与工程应用前景。

性能测试表明，Ti-0.45O-4Fe合金在屈服强度≥980MPa时，均匀伸长率达14%，总伸长率超过27%；Ti-0.5O-5Fe合金在屈服强度≥1075MPa时，均匀伸长率仍保持13%，总伸长率高于23%。上述指标均显著超越了当前Ti-6Al-4V等主流商用α-β钛合金在同等强度级别下均匀伸长率的公开记录。

研究通过原位EBSD/TEM证实，高氧成分通过有效激活α相中的锥面<c+a>滑移（在所有观测滑移系中占比>50%），并使其滑移迹线能连续跨越4–10个α-β界面，显著提升了塑性协调能力，这有力支撑了以高氧为核心的设计思路。

本研究不仅同步突破了α-β钛合金长期存在的“强度–均匀伸长率”倒置关系与高氧脆化两大瓶颈，更将氧元素从传统认知中的性能制约因素，转变为调控材料综合性能的关键合金化元素。该成果为基于高氧回收钛粉开发低成本、高性能新型钛合金提供了创新的理论依据与可行的工艺路径，也为航空航天、生物医疗等领域对先进钛合金的材料设计提供了新的方向。后续研究将重点围绕断裂韧性的系统评估、氧在相界处的偏聚行为及其对滑移跨界面传递的影响机制等关键科学问题深入展开。

 图文解析

图1：主要α-β钛合金的屈服强度、均匀延伸率和断裂延伸率对比。所有应变值均为工程应变。a：屈服强度≥800 MPa的α-β钛合金的屈服强度与均匀延伸率关系图。均匀延伸率与屈服强度大致呈反比关系。在以上合金中，PBF-LB法制备的Ti-6Al-4V+4.5%316L合金具有最高的均匀延伸率，但其弹性模量仅为80 GPa左右（典型α-β钛合金的弹性模量为110-125 GPa）。此外，该合金的均匀延伸率与断裂延伸率数值相同，表明应变局部化发生后立即发生快速断裂。b：图a中α-β钛合金的断裂延伸率与均匀延伸率关系图，显示出两者之间的显著差异。注：DED-LB：激光定向能量沉积；PBF-LB：激光粉末床熔融；ELI：超低间隙元素；HIP：热等静压；HT：热处理；CP Ti：商业纯钛。

图2：PBF-LB制备Ti-0.45O-4Fe合金的显微组织。a：扫描电子显微镜图像，显示等轴原始β晶粒。b：图a中等轴原始β晶粒内的超细层状相。c：图b中超细片层相的明场透射电子显微镜图像。d：EDS分析图c中超细片层相的铁元素分布。e：打印态显微组织中α、β和ω相的选区电子衍射谱。f：ω相析出物的暗场透射电子显微镜图像。

图3：经PBF-LB制备及800 °C退火1小时后的Ti-0.45O-4Fe合金显微组织。a：片层状α-β组织与晶界α相。亮色相为富铁β相，暗色相为贫铁α相。b：退火后形成的钝化α片层。c：退火后在α和β相中仅观察到少量位错。d：位错在多个位置跨越α-β界面（成像条件为g = {1010}）。e：共格α-β界面，可见(0001)α晶面与{110}β晶面相互平行。

图4：α-β Ti-0.45O-4Fe合金的室温准静态拉伸力学性能。a：采用不同PBF-LB工艺参数制备并经800 °C退火1小时处理的α-β Ti-0.45O-4Fe合金的工程应力-工程应变曲线。由于曲线具有良好的重复性，部分曲线存在重叠现象。为提高区分度，已将应力轴起始值设置为500 MPa。符号d表示激光光斑尺寸。b：α-β Ti-0.45O-4Fe合金与其他α-β钛合金的拉伸屈服强度与均匀延伸率对比。橙色、蓝色和红色实心星号：Ti-0.45O-4Fe合金。橙色：PBF-LB打印态；蓝色：PBF-LB+退火处理（均匀延伸率<14%）；红色：PBF-LB+退火处理（均匀延伸率≥14%）。

图5：α-β Ti-0.45O-4Fe合金（PBF-LB + 800 °C退火1小时）在拉伸变形过程中的位错活动。a：通过原位SEM单轴拉伸试验在14.2%均匀延伸率下获得的SEM图像与对应EBSD相图的叠加结果。多个滑移系被激活，其中主要滑移系为{1122}<c+a>（红色标注）。即使在14.2%的均匀延伸率下（真实拉伸应力>1100 MPa），滑移传递在几乎所有α-β界面处仍保持活跃。b：核平均取向差图表明，在高应力条件下（>1100 MPa），滑移传递能有效缓解众多α-β界面处的应变。c-f：均匀延伸区拉伸断裂后的TEM观测结果（采用双束条件观察α和β相中的位错，其中gα = {1011} and gβ = {110}）。可见穿越多个α-β界面的高密度滑移带（c和d），以及在α相（e）和β相（f）中发生的大范围位错增殖现象。

图6：经14.2%均匀变形后的Ti-0.45O-4Fe合金（PBF-LB + 800 °C退火1小时）中<c+a>位错的TEM表征。a：明场TEM图像；b：在g = (0002)双束条件下位错的暗场TEM图像。

图7：Ti-0.5O-5Fe合金（PBF-LB + 800 °C退火1小时）的工程应力-应变曲线。插图中显示的力学性能数据源自五组独立的应力-应变曲线。

图8：α-β Ti-0.5O-5Fe合金（PBF-LB + 900°C退火1小时）在拉伸变形过程中的位错活动。a：通过原位SEM单轴拉伸试验在10.1%均匀延伸率下获得的SEM图像与对应EBSD物相图的叠加结果。可见多个滑移系被激活，其中{1122}<c+a>滑移系（红色标注）占主导地位。b：将原始β晶粒的IPF图与SEM图像叠加，显示大量滑移迹线穿越原始β晶界，证实晶界α相不会阻碍滑移传递。

论文引用

Yang, Y., Wang, X., Chen, B. et al.Oxygen-mediated high uniform plasticity in α-β titanium alloys. Nat Commun16, 10833 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65851-4

(责任编辑：admin)

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