河南科大&電子科大&伊迪斯科文大學《Acta Materialia》：實現(xiàn)β鈦合金強塑性同步提升！

研究背景

鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性和生物相容性好等優(yōu)異特性，是理想的生物醫(yī)用金屬材料。以無毒性元素合金化并具有更低彈性模量的β型鈦合金已成為新一代永久性植入體的重點發(fā)展方向。目前已開發(fā)的生物醫(yī)用亞穩(wěn)β型鈦合金主要通過應力誘導馬氏體相變（TRIP效應）或應力誘導機械孿生（TWIP效應）提高延展性和極限抗拉強度，但通常表現(xiàn)出相對較低的屈服強度（低于 400MPa），這限制了其在永久性植入體中的適用性，因為屈服強度決定了材料抵抗塑性變形的能力及其在使用中的可靠性。添加β穩(wěn)定元素能夠通過抑制相變提高屈服強度，但同時伴隨著塑性的下降，致使β鈦合金屈服強度與塑性之間呈現(xiàn)嚴重倒置關系。因此如何同時提高β鈦合金屈服強度和延展性已成為開發(fā)新一代永久性植入體面臨的核心挑戰(zhàn)。

全文概述

針對生物醫(yī)用β-Ti合金屈服強度低且易陷入強度–延展性互斥的瓶頸難題，本研究提出氧驅(qū)動的雙重納米結構調(diào)控策略：在Ti-35Nb-9Zr-7Sn合金中引入0.3 wt.%間隙氧，氧在晶界處富集并形成約20 nm厚的FCC富氧納米層，同時在晶內(nèi)誘導生成局部化學有序（LCO）結構；通過這一結構調(diào)控方式，合金在不同處理狀態(tài)下均實現(xiàn)強韌協(xié)同，其中均質(zhì)化態(tài)屈服強度由531±3 MPa提升至637±3 MPa，同時斷后延伸率由37±1%提升至41±1%，冷軋態(tài)屈服強度進一步提升至1121±3 MPa并仍保持延展性提高，而楊氏模量始終穩(wěn)定在30–33 GPa、與人體皮質(zhì)骨高度匹配。結合球差校正透射電鏡、三維原子探針與第一性原理計算等多種表征手段，本研究系統(tǒng)揭示了氧驅(qū)動的晶內(nèi)與晶界強韌化機制：晶內(nèi)LCO結構能夠促使位錯滑移由平面型向波狀型轉(zhuǎn)變，促進了雙交叉滑移和位錯增殖，顯著提升應變硬化能力。同時，間隙氧驅(qū)動的FCC相納米層促進了晶界處的位錯滑移，進一步提高了延展性。本研究的氧原子驅(qū)動策略為突破β-Ti合金的強度–延展性耦合難題提供了有效途徑，并為新一代高性能鈦合金的設計與開發(fā)提供了新的思路。

相關研究成果以題為“Simultaneous enhancement of strength and ductility of biomedical β-type Ti-35Nb-9Zr-7Sn alloy through oxygen-driven local chemical ordering and grain boundary nanolayers”發(fā)表在金屬材料領域頂級期刊《Acta Materialia》。河南科技大學柳培副教授為第一作者和通訊作者，電子科技大學（深圳）高等研究院張昊博士為共同第一作者，伊迪斯科文大學張來昌教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金等項目的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121812

本文亮點

• 提出氧驅(qū)動的雙重納米結構調(diào)控策略：在Ti-35Nb-9Zr-7Sn合金中引入0.3 wt.%氧，利用球差校正透射電鏡和三維原子探針等先進表征手段發(fā)現(xiàn)了晶界~20 nm厚FCC富氧納米層與晶內(nèi)局部LCO結構的雙重納米結構，通過第一性原理計算闡明了氧驅(qū)動的FCC富氧納米層與LCO結構形成機理。

• 實現(xiàn)β-Ti合金屈服強度–延展性同步提升：在Ti-35Nb-9Zr-7Sn合金中引入0.3 wt.%氧，均質(zhì)化態(tài)屈服強度由531±3 MPa 提升至 637±3 MPa，延伸率由37±1%提升至41±1%；冷軋態(tài)屈服強度進一步提升至1121±3 MPa，延展性仍保持提升。楊氏模量保持在30–33 GPa、接近人體皮質(zhì)骨。

• 揭示氧驅(qū)動的晶內(nèi)和晶界協(xié)同強韌化機制：晶內(nèi)LCO結構可實現(xiàn)位錯滑移由平面向波狀轉(zhuǎn)變，促進雙交叉滑移和位錯增殖提高應變硬化能力，而晶界FCC富氧納米層的本征塑性及其與基體的共格界面可促進晶界位錯滑移并抑制晶界軟化。有效打破了β-Ti合金強度–延展性互斥難題。

圖文解析

圖1. 本研究醫(yī)用β-Ti合金的制備流程圖

圖2. HT-TNZSO與HT-TNZS合金的微觀結構特征。(a1) HT-TNZSO合金的EBSD IPF圖，(a2) XRD圖譜和 (a3) TEM圖像；(b1) HT-TNZS合金的EBSD-IPF圖，(b2) XRD圖譜和 (b3) TEM圖像；(c) 圖(a3)中界面納米層的EDS成分圖；(d) β-Ti相與界面納米層之間的界面HRTEM圖像：(d1) 圖(d)中黃色區(qū)域的FFT圖像；(d2) 圖(d)中藍色區(qū)域的FFT圖像；(d3) 圖(d)中界面的FFT圖譜；(d4) 圖(d)中界面的HRTEM圖像；(e) β-Ti相與納米層之間界面的另一張HRTEM圖像：(e1) 圖(e)中藍色區(qū)域的FFT圖譜。(e2) 圖(e)中黃色區(qū)域的FFT圖像；(e3) 圖(e)中界面的FFT圖案；(e4) 圖(e)中界面的HRTEM圖像

圖 3 HT-TNZSO合金界面納米層的三維原子探針斷層掃描和球差校正透射電鏡微觀結構。(a) 3D-APT實驗前樣品的TEM圖像；(b) 使用3D-APT重構的原子圖像；(c) 與圖(b)中黃線對應的成分分布圖；(d) 沿[011] FCC晶帶軸方向的界面納米層的STEM-HAADF圖像；(e) 界面納米層的STEM-ABF圖像；(f) 圖(e)中紅色方框區(qū)域的放大圖，顯示了FCC晶體結構。白色箭頭標出了FCC晶格中的氧原子柱

圖4 HT-TNZSO合金中β-Ti基體的球差校正透射電鏡顯微組織。(a1) 沿[110] β-Ti晶帶軸的β-Ti基體的STEM-HAADF圖像；(a2) 放大的HAADF圖像及其對應的原子分辨率EDS圖像；(a3) 圖(a2)中黃色方框區(qū)域元素分布的線掃曲線圖；(b) 圖(a1)對應的FFT圖像；(c) β-Ti基體中LCO結構疇的IFFT圖像；(d) 疊加BCC-Ti晶格的LCO疇的IFFT圖像。插圖為黃色區(qū)域的放大圖像；(e) 圖(c)中黃色區(qū)域的強度分布圖；(f1) β-Ti基體的STEM-ABF圖像。(f2) 圖(f1)中紅色方框的放大圖像，顯示β-Ti基體中的LCO結構

圖5 LCO結構和FCC納米層形成機制的第一性原理計算結果。(a) 33Ti-10Nb-3Zr-2Sn BCC結構超晶胞；(b) 超晶胞中一個氧原子占據(jù)的四種位置；(c) 一個氧原子占據(jù)的四種位置的結合能；(d)-(f) 電荷差分密度圖；(g) 含有間隙氧原子的BCC-Ti超晶胞模型；(h) 含有間隙氧原子的FCC-Ti超晶胞模型；(i) 含有不同含量間隙氧原子的FCC-Ti和BCC-Ti結構的結合

圖6 不同制備條件下TNZS和TNZSO合金的室溫拉伸性能。(a) 工程拉伸應力-應變曲線；(b) 真實拉伸應力-應變曲線；(c) 應變硬化率與真實拉伸應力的關系圖；(d)本研究中合金的屈服強度和延伸率與參考文獻中其他生物醫(yī)用β-Ti合金的相應數(shù)據(jù)比較

圖7 HT-TNZS和HT-TNZSO合金在不同間斷拉伸應變下的變形微觀結構的EBSD表征。(a1–a3) HT-TNZS合金在5%、15%和25%預拉伸應變下的對比圖像，(b1–b3) HT-TNZSO合金在5%、15%和25%預拉伸應變下的對比圖像。(c) HT-TNZS和HT-TNZSO合金中具有滑移跡線的代表性晶粒(G1–G6) 的滑移系信息。晶粒取向以晶胞模型表示，其中淺藍色陰影平面和深藍色虛線分別代表激活的滑移面和滑移方向。{110} 極圖中的紅線平行于滑移跡線，綠色虛線用于確定極圖中滑移跡線的對應米勒指數(shù)

圖8 (a1–b3) HT-TNZS和 (c1–d3) HT-TNZSO合金在15%和25%預拉伸應變下的幾何必需位錯分布和線掃曲線圖;(a1-b1, c1-d1) 兩種合金的GND分布；(a2-a3, b2-b3, c2-c3, d2-d3) 為沿位錯和晶界的相應線掃曲線圖

圖9 不同拉伸應變下HT-TNZS和HT-TNZSO合金中位錯構型的TEM分析。HT-TNZS合金在(a1) 5%、(a2) 10%和(a3) 25%應變下的位錯構型；以及HT-TNZSO合金在(b1) 5%、(b2) 10%和(b3) 25%應變下的位錯構型。(c1) 5%應變下HT-TNZSO合金的TEM顯微結構；(c2) 位錯釘扎點周圍局部原子結構的原子分辨率STEM-ABF圖像；(c3) 圖(c2)中紅色方框區(qū)域的放大圖，其中白色箭頭表示氧原子柱

圖10 拉伸試驗后HT-TNZSO合金晶界附近微觀結構演變的TEM表征。(a1) 5%應變和 (a2) 15%應變下晶界附近的微觀結構特征。(b1) 圖(a2)中藍色方框區(qū)域的HRTEM圖像，顯示β-Ti中的位錯構型；(b2) 圖(b1)的FFT圖像，顯示沿[100] β-Ti晶帶軸的β-Ti基體；(b3) 沿(011)晶面的β-Ti基體晶格條紋重構。(c1) 圖(a2)中紅色方框區(qū)域的HRTEM圖像，顯示納米層內(nèi)部的位錯構型；(c2) 圖(c1)的FFT圖像，顯示沿[001] FCC晶帶軸的界面納米層；(c3)沿(020)晶面的界面納米層的晶格條紋重構。(d1) 圖(a2)中綠色方框區(qū)域的HRTEM圖像，顯示了納米層與β-Ti基體之間的界面；(d2)晶格條紋重構，顯示了位錯跨越納米層與β-Ti基體之間的邊界的遷移；(d3) GPA分布，顯示了納米層-基體界面處的應變波動

圖 11 CR-TNZSO合金經(jīng)10%拉伸應變后微觀結構演變的TEM表征。(a1) β-Ti基體的TEM圖像；(a2) β-Ti的高分辨TEM圖像，顯示位錯構型；(a3)圖(a2)的FFT圖像，顯示沿[011] β-Ti晶帶軸的β-Ti基體；(a4) 沿(200)晶面的β-Ti基體晶格條紋重構。(b1)納米層與β-Ti基體之間的TEM圖像；(b2) 納米層的HRTEM圖像，顯示位錯構型；(b3) 圖(b2)的FFT圖像，顯示沿[011] FCC晶帶軸的納米層；(b4)沿(111)晶面的FCC納米層的晶格條紋重構

圖 12 TNZSO合金塑性變形機制示意圖

結論展望

綜上所述，本文提出了一種基于氧驅(qū)動的局部化學有序結構與晶界納米層的協(xié)同調(diào)控策略，可同時提升Ti-35Nb-9Zr-7Sn醫(yī)用β-Ti合金的強度與延展性。研究表明，僅加入0.3 wt.%的氧即可使均質(zhì)化與軋制態(tài)合金的屈服強度和拉伸塑性同步提高，有效突破傳統(tǒng)β-Ti合金存在的強度–延展性耦合限制。通過先進顯微表征手段揭示：晶內(nèi)的局部LCO結構可將位錯行為由平面滑移轉(zhuǎn)變?yōu)椴罨疲龠M交滑移并實現(xiàn)持續(xù)的位錯增殖，從而增強應變硬化能力；與此同時，氧誘導形成的晶界FCC納米層能夠促進位錯跨晶界滑移，抑制晶界開裂的發(fā)生。晶內(nèi)和晶界機制的協(xié)同作用，為實現(xiàn)醫(yī)用β-Ti合金中優(yōu)異的屈服強度與延展性匹配關系提供了可靠路徑，也為新一代高性能生物醫(yī)用鈦合金的開發(fā)提供了重要理論基礎。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。