超高強(qiáng)度金屬材料在結(jié)構(gòu)件減重、極端承載等方面的優(yōu)勢(shì)在航空航天、武器裝備等領(lǐng)域迫切需求，研發(fā)具有超高屈服強(qiáng)度（σy~2GPa）且保持可觀均勻延伸率（εu＞5%）的先進(jìn)金屬材料成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。目前，僅有少數(shù)高強(qiáng)鋼和復(fù)雜多主元合金能夠達(dá)到上述性能目標(biāo)。相比于鋼鐵和復(fù)雜多主元合金，鈦合金在比強(qiáng)度、耐蝕性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。盡管科研人員提出了多種鈦合金強(qiáng)韌化途徑，但是至今尚未成功設(shè)計(jì)出屈服強(qiáng)度達(dá)到2GPa且均勻延伸率εu>5%的超高強(qiáng)鈦合金。

　　針對(duì)上述挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫軍院士團(tuán)隊(duì)的陳威副教授和張金鈺教授聯(lián)合新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司，借助完整的工業(yè)化生產(chǎn)線與精心設(shè)計(jì)的熱處理工藝，在商用亞穩(wěn)β鈦合金Ti-4Al-5Mo-3V-5Cr-1Fe（wt.%）中構(gòu)筑了一種新型微觀結(jié)構(gòu)，使得鈦合金在室溫下獲得了前所未有的強(qiáng)度-塑性組合：其屈服強(qiáng)度達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1929 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到2014MPa，同時(shí)保持了6.2%的均勻延伸率，其強(qiáng)度-塑性組合遠(yuǎn)超以往報(bào)道的所有高強(qiáng)鈦合金。同時(shí)，該合金具有遠(yuǎn)超高強(qiáng)鋼和復(fù)雜多主元合金的比強(qiáng)度（圖1）。

圖1研制的鈦合金具有創(chuàng)記錄的高強(qiáng)度和良好的塑性匹配

　　這種極致的強(qiáng)度-塑性性能主要得益于精心設(shè)計(jì)的“納米孿生α析出相+超細(xì)β亞晶”微觀組織結(jié)構(gòu)（圖2）。其中，由ω前驅(qū)體介導(dǎo)的高密度納米級(jí)α析出相不僅具有顯著的強(qiáng)化效應(yīng)，而且α相之間形成孿生對(duì)，通過(guò)共格孿晶界有效緩解半共格α/β界面的應(yīng)變不相容性，進(jìn)而提高塑性。同時(shí)，超細(xì)β亞晶界扮演多重功能：除了在塑性變形過(guò)程中阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并協(xié)調(diào)塑性變形，在時(shí)效過(guò)程中β亞晶界促進(jìn)非連續(xù)的納米α片析出。與傳統(tǒng)β晶界處析出的連續(xù)晶界α膜不同，這種非連續(xù)的亞晶界納米α片不僅可以作為位錯(cuò)源發(fā)射位錯(cuò)促進(jìn)塑性變形，還可以阻礙位錯(cuò)滑移以增加應(yīng)變硬化率提高均勻延伸率。塑性變形過(guò)程中，高應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的化學(xué)異質(zhì)性（圖3）能夠與位錯(cuò)產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)變得“遲緩”，增加位錯(cuò)間交互作用的機(jī)會(huì)，這有利于提高材料的加工硬化能力，延緩頸縮發(fā)生。

圖2構(gòu)筑的“納米孿生α析出相+超細(xì)β亞晶”微觀結(jié)構(gòu)

圖3組織中存在的局部化學(xué)元素偏聚

　　本項(xiàng)研究不僅突破了當(dāng)前鈦合金的強(qiáng)度極限，還驗(yàn)證了“納米孿生α析出相+超細(xì)β亞晶”的組織設(shè)計(jì)策略在工業(yè)化生產(chǎn)中的可行性，對(duì)工業(yè)用超高強(qiáng)鈦合金的研發(fā)具有重要意義。同時(shí)，本研究提出的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略具有普適性，可適用于鋁合金、鎂合金、鋼以及多主元復(fù)雜合金，尤其是基于增材制造制備的、包含位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)材料的高強(qiáng)化開發(fā)。

　　以上研究成果以《基于多功能亞晶界和納米析出相設(shè)計(jì)具有2GPa屈服強(qiáng)度的塑性鈦合金》（Designing ductile 2-GPa yielding titanium alloys via multifunctional subgrain boundaries and nanoprecipitates）”為題發(fā)表在國(guó)際綜合類著名學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）上。西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士生趙鼎萱、碩士生俎凱、張航博士以及新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司岳旭總工程師為論文共同第一作者，陳威副教授和張金鈺教授為共同通訊作者，孫軍院士指導(dǎo)了本項(xiàng)研究。金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一通訊單位。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。本項(xiàng)目的測(cè)試表征得到西安交通大學(xué)分析測(cè)試共享中心李嬌、李超、任子君博士的大力支持。