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，從而優化合金力學性能。鈦合金的熱機械加工可以引入大量的預先位錯，為調節最終微觀結構中的馬氏體層級/形態提供媒介。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難題。

針對上述問題，西安交通大學孫軍院士和張金鈺教授團隊提出了一種間隙O納米孿晶馬氏體設計策略，在Ti-Cr-Zr-Al馬氏體鈦合金中有意摻雜高達0.5%(w)的間隙O，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，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。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，進而提高鈦合金抗氧脆能力。該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，賦予高氧鈦合金超高應變硬化能力，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，該合金可以利用低等級海綿鈦、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”進行生產，帶來巨大的降本空間。該研究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