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。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。

　　針對上述挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國重點(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，通過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，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家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。本項(xiàng)目的測試表征得到西安交通大學(xué)分析測試共享中心李嬌、李超、任子君博士的大力支持。