晶體缺陷，如位錯，除了作為塑性載體，還可作為有效的形核位點，控制具有多層級/形態第二相的析出，從而優化合金的力學性能。例如，高比強度鈦合金主要通過擴散(β→α)相變形成的納米尺寸α相進行強化。通常來說，刃位錯的平面應變/應力場導致單個α變體沿位錯線長大，形成平行的α簇狀結構。與此相反，螺位錯的非平面應力/應變場促進不同α變體沿位錯線同時形核，形成具有孿生關系的三角形結構。盡管不同α變體之間存在孿晶界，但α和β相之間的界面仍然是半共格的，塑性變形時界面相容性較差，從而導致其強度-塑性的倒置關系。一種較好的結構設計方法是通過無擴散(β→α')相變引入α'/β共格相界面，從而獲得良好的界面應變相容性以提供大塑性。然而，這種策略仍然面臨兩個挑戰：一方面是較大的β母相尺寸和固溶淬火過程中較少的形核位點導致鈦合金中通常形成微米尺寸馬氏體，而α'馬氏體相界面強化符合經典的Hall-Petch關系，因此使得合金屈服強度較低。另一方面是鈦及其合金中的間隙原子致脆效應，因此嚴格限制氧(O)等間隙原子的含量，其馬氏體是置換式的過飽和固溶體(置換馬氏體)，這明顯不同于傳統鋼鐵材料的間隙過飽和固溶體(間隙馬氏體)，因而本征強度低。事實上，熱機械加工是工業生產鈦合金必不可少的工藝，可以引入大量的預先位錯，從而為調節最終微觀結構中的馬氏體層級/形態提供了媒介。然而，由于BCC金屬中位錯特征的強烈溫度依賴性，高溫熱機械加工后β基體中預先位錯主要是具有平面應力場的刃位錯，這導致形成平行的α'馬氏體簇而不是孿晶馬氏體。因此，如何工程化構筑納米孿晶結構馬氏體，并提高馬氏體的本征強度，是獲取高強-塑/韌性良好匹配鈦合金面臨的國際性科學與技術難題。

針對上述問題，西安交大金屬材料強度國家重點實驗室孫軍院士和張金鈺教授團隊提出了一種違反直覺的設計策略，在Ti-Cr-Zr-Al馬氏體鈦合金中有意摻雜間隙O(高達0.5 wt.%)而不是避免它，即利用間隙原子-位錯交互作用顯著扭曲熱機械加工預先引入刃位錯的平面應力場，使其轉變為非平面應力場，這促使多個馬氏體變體沿富O的刃位錯線同時形核，從而構筑出間隙O強化的納米孿晶α'馬氏體新型微觀結構。更為重要的是，借助富O位錯線原位相變形成的納米孿晶馬氏體可以吸收β基體中的氧原子來抑制界面處的氧偏析，進而提高鈦合金中的抗氧脆能力。因此，間隙原子-位錯交互作用介導的間隙O納米孿晶馬氏體設計策略結合了間隙強化、共格α'/α'孿晶界和共格α'/β'相界面的優點，從而使得該鈦合金的綜合力學性能優于以前報道的鈦合金。特別是，該高氧鈦合金具有超高的應變硬化能力，其比韌性高達800 MPa % g-1 cm3，約為同等強度鈦合金的10倍。此外，合金設計的初衷充分考慮了循環經濟的思想，即考慮到海綿鈦生產(高能耗的克勞爾工藝)中的低等級海綿鈦產品(約占海綿鈦產業的5%-10%)、來自殘鈦回收過程中高氧含量的剩余鈦料或氧含量高的加工“廢料”, 均可作為當下鈦合金的原料，從而帶來巨大的降低成本空間。團隊提出的策略展示了一種先進的設計原則，即通過操縱位錯特征，例如刃位錯或螺位錯及其應力場，可有效構筑納米孿晶結構，并為鈦合金工業生產設計低成本、高性能的高氧耐受性鈦合金提供了新的見解。

圖1. 基于O-位錯交互作用形成的納米孿晶馬氏體Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金的分子動力學模擬和相應的微觀結構

圖2. 間隙氧強化的納米孿晶馬氏體Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金水冷后的室溫力學性能與商業Ti-6Al-4V合金、馬氏體鈦合金、高強鈦合金、增材制造鈦合金、(α+β)+O鈦合金、β+O鈦合金和粉末冶金+O鈦合金的力學性能、比強度和比韌性對比

該研究成果以“Oxygen-dislocation interaction-mediated nanotwinned nanomartensites in ultra-strong and ductile titanium alloys”為題在線發表于Materials Today上。西安交通大學材料學院博士生張崇樂為上述論文第一作者，孫軍院士和張金鈺教授為論文共同通訊作者，參與該工作的還包括劉剛教授、李蘇值教授、李嬌高級工程師和李軒哲博士生。西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室是該工作的唯一通訊單位。該工作得到了111計劃2.0、國家自然科學基金、陜西省青年創新團隊項目等項目的共同資助。

論文鏈接地址: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702124000609