洞察钛界，钛有深度

　　超高强度金属材料在结构件减重、极端承载等方面的优势在航空航天、武器装备等领域迫切需求，研发具有超高屈服强度（σy~2GPa）且保持可观均匀延伸率（εu＞5%）的先进金属材料成为当前研究热点之一。目前，仅有少数高强钢和复杂多主元合金能够达到上述性能目标。相比于钢铁和复杂多主元合金，钛合金在比强度、耐蚀性等方面具有明显的优势。尽管科研人员提出了多种钛合金强韧化途径，但是至今尚未成功设计出屈服强度达到2GPa且均匀延伸率εu>5%的超高强钛合金。

　　针对上述挑战，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室孙军院士团队的陈威副教授和张金钰教授联合新疆湘润新材料科技有限公司，借助完整的工业化生产线与精心设计的热处理工艺，在商用亚稳β钛合金Ti-4Al-5Mo-3V-5Cr-1Fe（wt.%）中构筑了一种新型微观结构，使得钛合金在室温下获得了前所未有的强度-塑性组合：其屈服强度达到创纪录的1929 MPa，抗拉强度达到2014MPa，同时保持了6.2%的均匀延伸率，其强度-塑性组合远超以往报道的所有高强钛合金。同时，该合金具有远超高强钢和复杂多主元合金的比强度（图1）。

图1研制的钛合金具有创记录的高强度和良好的塑性匹配

　　这种极致的强度-塑性性能主要得益于精心设计的“纳米孪生α析出相+超细β亚晶”微观组织结构（图2）。其中，由ω前驱体介导的高密度纳米级α析出相不仅具有显著的强化效应，而且α相之间形成孪生对，通过共格孪晶界有效缓解半共格α/β界面的应变不相容性，进而提高塑性。同时，超细β亚晶界扮演多重功能：除了在塑性变形过程中阻碍位错运动并协调塑性变形，在时效过程中β亚晶界促进非连续的纳米α片析出。与传统β晶界处析出的连续晶界α膜不同，这种非连续的亚晶界纳米α片不仅可以作为位错源发射位错促进塑性变形，还可以阻碍位错滑移以增加应变硬化率提高均匀延伸率。塑性变形过程中，高应力驱动的化学异质性（图3）能够与位错产生强烈的相互作用，使位错运动变得“迟缓”，增加位错间交互作用的机会，这有利于提高材料的加工硬化能力，延缓颈缩发生。

图2构筑的“纳米孪生α析出相+超细β亚晶”微观结构

图3组织中存在的局部化学元素偏聚

　　本项研究不仅突破了当前钛合金的强度极限，还验证了“纳米孪生α析出相+超细β亚晶”的组织设计策略在工业化生产中的可行性，对工业用超高强钛合金的研发具有重要意义。同时，本研究提出的微观结构设计策略具有普适性，可适用于铝合金、镁合金、钢以及多主元复杂合金，尤其是基于增材制造制备的、包含位错亚结构材料的高强化开发。

　　以上研究成果以《基于多功能亚晶界和纳米析出相设计具有2GPa屈服强度的塑性钛合金》（Designing ductile 2-GPa yielding titanium alloys via multifunctional subgrain boundaries and nanoprecipitates）”为题发表在国际综合类著名学术期刊《先进科学》（Advanced Science）上。西安交通大学材料学院博士生赵鼎萱、硕士生俎凯、张航博士以及新疆湘润新材料科技有限公司岳旭总工程师为论文共同第一作者，陈威副教授和张金钰教授为共同通讯作者，孙军院士指导了本项研究。金属材料强度全国重点实验室为论文第一通讯单位。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。本项目的测试表征得到西安交通大学分析测试共享中心李娇、李超、任子君博士的大力支持。