在鈦合金中，強塑平衡一直是繞不開的話題，O元素作為常見的間質元素，容易固溶到鈦基體中，且鈦對O有著較高的溶解度，在鈦合金中，O往往在以間隙固溶體的形式存在，并對基體會有一個固溶強化的作用，但是其同時會帶來脆性增加的問題，尤其是當氧含量超過0.2 wt.%時，傳統觀點認為會顯著降低材料的韌性。目前對于鈦合金的制備也以降低O含量為目標，因此，高氧鈦合金一直停留在實驗室研究階段，難以工程化應用。

近日，長安大學趙秦陽教授團隊創新性地利用化學+結構異質性的協同作用，通過控制氧含量誘導LRO-O結構，既發揮固溶強化，又調控位錯行為，打破了這一“強塑性蹺蹺板”。2025年8月10日，長安大學趙秦陽教授團隊聯合東北大學、西北有色金屬研究院等單位在《Acta Materialia》 期刊在線發表題為“Overcoming strength-ductility trade-off in titanium alloy by tailoring and regulating local-range ordered oxygen structure”的研究論文，團隊提出并驗證了一種通過調控納米級局域有序氧（Local-Range Ordered Oxygen, LRO-O）結構，實現高氧含量鈦合金強度與塑性同步提升的新方法。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121430

【核心內容】

研究提出了一種定制局域有序氧（LRO–O）結構的策略，以利用鈦合金中間隙氧的潛力，團隊創新性地在Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金（后續稱基體合金為Ti-5553）內部構建并調控了納米級局域有序氧（LRO-O）結構，并通過簡單的退火進一步調節了這一結構的尺寸，從而實現了不同強度水平下優異的強度-塑性匹配，該策略不僅解決了鈦合金的強度-塑性的權衡問題，還為設計其他鈦合金系統提供了一種可擴展且具有成本效益的方法。

圖形摘要

【研究方法】

團隊在研究中共設置了0.12、0.36、0.62 wt.%三種O含量的Ti-5553-xO合金，其中Ti-5553-0.36O（后續稱為0.36O合金）和Ti-5553-0.62O（后續稱為0.62O合金）中的O來源于燒結原材料中的氫化-脫氫Ti粉，兩種合金均通過短時粉末冶金工藝制備，成功在合金內引入并調控不同尺寸的LRO-O結構，并經過了退火處理，團隊系統測試了Ti-5553-xO合金的室溫拉伸性能，并利用APT、TEM、原位EBSD、原位TEM以及分子動力學模擬，解析了這一獨特的微觀結構是如何作用于力學性能的改變。

Ti-5553-xO合金（x=0.12/0.36/0.62）加工路線與熱處理工藝示意圖

【研究成果】

① LRO-O結構的形成與調控

APT與電子衍射結果顯示，0.36 O合金中α相存在平均尺寸約2.2nm的中程有序氧（MRO-O）結構，0.62 O合金則為3.8nm。SRO-O結構（0.9nm）分布于次生α相中。通過退火可進一步調節MRO-O尺寸，這種氧原子納米級團簇與α/β相分布的協同，對位錯滑移模式產生顯著影響。

Ti-5553-xO合金700℃退火后的顯微組織與LRO-O結構特征

② 力學性能顯著突破

0.36 O合金在屈服強度1.4~1.6GPa下仍保持10.6%~15.3%的延伸率，0.62 O合金在1.31.4GPa下延伸率達10%~11.4%，均遠超傳統高強鈦合金及高氧鈦合金的強塑性上限。應力-應變曲線中出現“雙屈服”現象，源于位錯先受MRO-O阻礙，再受SRO-O結構阻礙，實現持續應變硬化。

Ti-5553-xO合金的工程應力-應變曲線及強塑性對比

③ 位錯機制的演化

原位及TEM觀察表明，0.36 O合金在變形中由多向平面滑移轉為交叉滑移，促進<c>-型位錯獨立形核，并通過<c+a>位錯解離增強延展性。相比之下，0.62 O合金雖具類似強度，但大尺寸MRO-O限制了<c>-型位錯形成，塑性稍低。

不同O含量合金的位錯特征與滑移模式

Ti-5553-xO合金拉伸變形位錯演化的分子動力學模擬

④ LRO-O結構的動態演化

原位TEM拉伸結果顯示，0.36 O合金的MRO-O結構在塑性變形中可轉化為SRO-O，促進跨晶滑移和均勻應變分布；而0.62 O合金的MRO-O僅減小尺寸，仍保留MRO尺度，導致局部應變集中。

原位TEM下LRO-O結構與塑性變形協同演化

【總結與展望】

該研究將“局域有序氧結構”引入高氧鈦合金設計，并通過尺寸調控實現了超越傳統氧含量限制的強塑性匹配，同時團隊所采用的這一方法工藝簡單、可擴展，不需要依賴昂貴的合金元素，有望在航空航天、高端制造等領域推動高氧高性能鈦合金的工程化應用。