钛合金的强度与塑性往往“此消彼长”，难以兼顾，而氧元素也长期被视为诱发脆性的“有害杂质”。如今，这一材料困局迎来重要突破。2025年12月2日，西北工业大学沈将华教授团队与澳大利亚皇家墨尔本理工大学马前教授团队通力合作，在Nature Communications期刊发表了题为“Oxygen-mediated high uniform plasticity in α-β titanium alloys”的研究，创新提出“高氧策略”，通过精妙的微结构控氧，将氧从“脆性元凶”转化为性能调控的关键元素，成功制备出兼具超高强度与高塑性的新型钛合金，为材料设计开辟全新路径。
论文通讯作者为西北工业大学沈将华教授与澳大利亚皇家墨尔本理工大学马前教授，第一作者为西北工业大学博士生杨亚辉。
研究背景
钛合金作为航空航天、国防装备及医疗器械等领域的关键结构材料，需同时具备高屈服强度、高均匀伸长率和良好断裂韧性。然而，其发展长期面临两大挑战：
一是强度与均匀伸长率的平衡困境——当屈服强度超过800 MPa时，多数α-β钛合金的均匀伸长率会降至仅几个百分点，导致材料在服役中易发生早期应变集中与局部变形，影响结构可靠性；
二是高氧致脆性问题显著——氧作为钛合金中难以完全避免的杂质元素，虽然可通过固溶强化显著提升强度（强化效率高达760 MPa/1.0 wt.%氧含量），但其含量一旦超过0.20 wt.%便会抑制形变孪生，并随着氧含量进一步增加，导致材料明显脆化。
研究团队提出了“成分-微结构协同调控，点氧为金”的创新策略：
1. 高氧激活滑移，解锁α相塑性潜能
通过将氧含量大幅增加至0.45–0.50 wt.%，不仅能提高α相中柱面/基面滑移的临界分切应力，还通过增大c/a轴比，有效降低了锥面滑移的启动能垒，从而显著促进该滑移系统启动，为材料补充关键的塑性变形能力。
2. 微结构协同优化，促进滑移跨相界传递
选用Fe作为β相稳定元素，结合激光粉末床熔融打印技术，制备出细晶等轴的β母相晶粒组织；再通过后续针对性的退火处理，消除有害ω相、调控α片层尺寸并降低位错密度，从而为位错滑移跨越αβ相界高效传递创造有利条件。
研究成果
基于上述策略制备的Ti-0.45O-4Fe与Ti-0.5O-5Fe合金展现出卓越的综合性能：
Ti-0.45O-4Fe在屈服强度≥980 MPa时，均匀伸长率仍可达14%以上，总伸长率超过27%；
Ti-0.5O-5Fe在屈服强度≥1075 MPa条件下，均匀伸长率保持在13%以上，总伸长率不低于23%。
两组高氧钛合金的性能，在强塑性匹配上显著超越了现有商用钛合金，树立了新的性能标杆。
通过EBSD与TEM等微观分析进一步证实：高氧钛合金中二阶锥面滑移被显著激活，在所观察到的所有活跃的滑移系中占比超过50%，并能有效跨越α-β相界，完美验证了设计思想。
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}（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}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。
总结与展望
本研究不仅同步攻克了α-β钛合金中“强度-均匀伸长率”倒置关系与高氧脆化两大难题，更将氧元素从性能限制因素转化为提升材料潜力的关键调控参数。
研究提出的“间隙元素工程”理念，为利用高氧回收钛粉开发低成本、高性能新型钛合金奠定了科学基础，也为航空航天、生物医疗等领域的先进材料设计开辟了新方向。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65851-4
