2月17日，我校新材料技術研究院曲選輝、秦明禮、陳剛教授團隊研究成果以“Lean design of a strong and ductile dual-phase titanium-oxygen alloy”為題發(fā)表在《Nature Materials》期刊。我校為該論文的第一通訊單位，我校曲選輝、秦明禮、陳剛教授，以及澳大利亞昆士蘭大學Jin Zou教授為共同通訊作者，我校博士生丁旺旺、陶麒鸚、劉暢為共同第一作者。日本東北大學、遼寧材料實驗室、韓國延世大學、美國斯坦福大學、澳大利亞昆士蘭大學、新西蘭奧克蘭大學、寧波鈦鉭新材料技術有限公司為該論文的合作單位。

鈦合金具有低密度、高比強度、優(yōu)異耐蝕性、良好生物相容性以及無磁等特點，在航空航天、海洋工程、生物醫(yī)用等領域得到了廣泛應用。鈦合金按照組織結構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。

我校曲選輝、秦明禮、陳剛教授團隊與合作者提出了高強韌鈦合金的素化設計新策略，創(chuàng)造出一種新型組織結構——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構。應力條件下，納米尺度FCC相內部會產生堆垛層錯以及應力誘導孿晶（TWIP）效應，加上其第二相彌散和氧原子固溶的協同強化作用，使得合金強度得到大幅提升的同時，仍保持了優(yōu)異的塑性，其室溫抗拉強度為1119.3MPa，屈服強度為1003.5MPa，斷裂延伸率仍達到23.3%，強度與應用最為廣泛的Ti-6Al-4V合金（α+β型鈦合金）相當，但其塑性幾乎是后者的2倍，展現出優(yōu)異的強韌性。

鈦粉表面氧化膜及HCP+FCC雙相鈦合金顯微組織表征

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，僅使用了通常認為對鈦合金塑性“有害”的氧（O）元素進行組織調控，使合金內部生成FCC相。該新型鈦合金是采用3D打印工藝制備，以團隊自主發(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，氧化膜內部的氧原子無法及時擴散，造成氧原子局部富集，結合打印過程中產生的極大熱應力協同誘導了HCP→FCC的相變反應。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，并且可通過調控鈦粉顆粒表面氧化膜厚度、氧含量以及打印工藝，有效調控FCC相的含量、尺寸和分布狀態(tài)，實現氧元素在HCP和FCC兩相中的合理分配，最終獲得優(yōu)異的力學性能。

HCP+FCC雙相鈦合金的力學性能及強韌化機制分析

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行組織性能調控，不僅顛覆了“氧不利于鈦塑性”的傳統(tǒng)認知，實現了高性能鈦合金的素化設計，而且打破了強度與塑性的制衡關系，所制備HCP+FCC雙相鈦合金展現出優(yōu)異的強韌性。該工作為高性能金屬材料的素化設計提供了新思路，不僅具有極大的經濟效益，而且有利于資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。