金屬研究所：α+β兩相鈦合金異構組織設計與性能優化取得新進展！

鈦合金是航空、航天、深海等戰略領域的關鍵結構材料。TC16合金（Ti-3Al-5Mo-4.5V, wt.%）作為典型的α + β兩相鈦合金，被廣泛用于制備航空緊固件。本世紀初，中國科學院金屬研究所鈦合金團隊承擔TC16鈦合金緊固件絲材研制任務，絲材在冷鐓制備緊固件過程中開裂是制約材料研制的技術瓶頸之一。TC16合金的塑性變形顯著依賴于β相穩定性及相變行為，通過設計熱處理制度使合金依次發生β → α″ → α + β相變，由此制備出超細α組織，使TC16合金在冷鐓變形80%后仍不發生開裂，突破了冷鐓緊固件的制造瓶頸（《金屬學報》 46 (2011) 1443）。同時，團隊前期研究表明，調整淬火溫度和兩相微區元素濃度可顯著改變TC16合金β相穩定性，形成亞穩ω或α″相，并在變形時觸發應力誘導馬氏體相變和孿生誘導塑性效應，從而實現優異的強塑性匹配（JMST 34 (2018) 2507, JMST?34 (2018) 2325）。鈦合金中的亞穩ω/α″相均影響后續α相的形核生長，如何精準利用該亞穩相變行為，實現組織與性能的深度優化，仍是亟待深入探索的材料技術問題。

金屬所馬英杰、楊銳研究團隊與合作者提出基于可控ω/α″亞穩相誘導α形核長大并構筑異構組織的優化策略：通過兩相區淬火精準控制β相穩定性，誘導析出不同類型亞穩相，結合多級時效熱處理激活亞穩相誘導α形核機制，實現多級異質結構的構筑及強塑性的協同提升。取得系列進展如下：

1) ω相誘導納米級α形核機制研究。采用理論計算與實驗相結合的方法，，揭示了ω相形核驅動力及形核位點的多因素交互作用機制，闡明了ω相變路徑對α片層尺度與變體選擇的影響規律，結果表明等溫ω顆粒可為次生α（secondary α, αs）提供有效形核位點，其形核位點取決于等溫ω生長相關的濃度場、應力場以及ω/β界面特性三者間的協同或競爭作用。該研究將ω輔助α形核的策略從β鈦合金拓展到α + β兩相鈦合金。（Acta Materialia?279 (2024) 120302）。

2) 納米級次生α的晶體學機制。采用透射菊池衍射技術，進一步在微米范圍內研究了ω輔助形成的納米級次生α的晶體學機制。αs片層細化有利于Type B變體對的形成，相場模擬驗證了實驗結果并揭示了其內在機理，即ω輔助形核放大了彈性相互作用，促進自催化形核，驅動Type B變體對的擇優分布。（Acta Materialia?296 (2025) 121148）。

3) ω/α″協同調控與四級異構組織構筑。進一步研究表明，通過低溫時效處理可提高α″孿晶密度，有效抑制應力誘導相變，顯著提升合金強度（Scripta Materialia?264 (2025) 116717）。通過兩相區淬火結合多級時效處理，激活ω/α″協同調控機制，構筑了兼顧α相尺寸和化學成分梯度的四級異構組織（微米等軸αp+微米αs+納米αs+平行階梯狀αs）。相較于退火態組織（微米αp和微米αs）與二級異構組織（微米αp和納米αs），實現了強塑性的協同提升。四級異構組織性能提升的本質是多尺度α片層在協調變形過程中形成的多級異質界面網絡，其中可塑性變形的微米αs片層作為機械緩沖域，在低應變下阻礙位錯運動，而在高應變下促進位錯傳遞；微米αs能與納米αs形成異質界面并產生額外的HDI應力，緩解應變局域化。該工作近期發表在Acta Materialia?期刊（DOI: 10.1016/j.actamat.2026.122127）。

以上工作構建了鈦合金“可控亞穩相誘導相變——多級異構組織構筑——變形行為/力學性能優化”的研究框架，為高性能鈦合金的多級異構組織精細化設計與工程應用提供了理論基礎。

金屬所2023級博士生賈焱迪為相關論文的第一作者（含1篇共同一作），哈爾濱工業大學（深圳）施榮沛教授、河北工業大學鄭士建教授以及金屬所材料顯微科學研究部杜奎研究員、分析測試中心沈瑩瑩等參與了以上工作。

相關研究工作得到國家自然科學基金（52321001、U2106215）、國家重點研發計劃項目（2021YFC2801800）等資助。

圖1.ω輔助形核機制形成的超細納米級αs片層及其變體分布

圖2.四級異構（FSH-α）組織制備策略及力學行為：（a）ω/α″協同調控形成的四級異構組織；（b）多級異質界面網絡促進強塑性協同提升

來源：中國科學院金屬研究所。

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