與常規晶粒尺度（5-10μm）的鈦（tài）合金相比，超細（xì）晶鈦合金不僅具有更高的強度與良好的塑性匹配，同時還具有更（gèng）高的耐磨性和（hé）更佳的生物相容性，在航空航天、生物醫學等諸多重要應用（yòng）領域中極具吸引力。然（rán）而，超細晶鈦合金不（bú）僅製備加工極為困難，且組織的熱穩定性較差，這兩大瓶頸問題製約了超細晶鈦合金的發展與應用。

中國科學院金（jīn）屬研究（jiū）所楊柯團隊長期（qī）從事新型醫用金屬材料的基礎與應用研究。近期，團（tuán）隊成員（yuán）任玲、王海（hǎi）等通過“雙相殼層（céng）包（bāo）裹超細等軸晶”的顯（xiǎn）微組織設計思想（圖1），同時（shí）從熱（rè）力學、動力學兩方麵提高超細晶鈦合（hé）金（jīn）組織熱穩定（dìng）性（xìng），並利用常規（guī）熱處理與熱加工的工藝組合，實現了上述顯微組織的大尺寸製備，解決了超細（xì）晶鈦合金（jīn）製備加工難、組織穩定性差的兩大瓶（píng）頸問題，獲得了性能優（yōu）異和熱穩定（dìng）性高的超細晶含銅鈦合金。近（jìn）期，相關（guān）研究成果在《自然-通（tōng）訊》（Nature Communications）在線發表。

研究團隊近年來一直致力於含銅鈦合金的結構與生物功能一體化研究與應用。在（zài）前期研究工作基礎上，團隊提出“共（gòng）析元素合金化→淬火→熱（rè）變形”（EQD）的超細晶含銅鈦合金的製備策略（圖2），實現了雙相殼層包裹超細等軸晶的顯微組織的（de）設計思想。該策略通過常規（guī）的熱（rè）加工設備實現了α-Ti晶粒尺寸在90-500 nm範圍內的超細晶Ti6Al4V5Cu合金的大尺寸製備（圖2）。與此（cǐ）同時，利用熱變形過（guò）程中形成（chéng）的β/Ti2Cu雙相蜂窩殼結構包覆α晶粒，顯著提高了超（chāo）細等軸晶組織的熱穩定性，使材料的失（shī）穩溫度（dù）提高至973 K（0.55Tm）（圖3）。超細晶Ti6Al4V5Cu合金的室溫拉伸強度最高達到1.5 GPa，延伸率超過10%。在650℃和應變速（sù）率為0.01 s-1條件下，其拉伸延伸率超過1000%（圖1），實（shí）現了超塑性變形。此外，超（chāo）細晶Ti6Al4V-5Cu合金在高溫拉伸的（de）熱力耦合條件下未發生（shēng）晶粒（lì）的粗化長大（圖4）。該EQD策略不僅實現了TiCu、TiZrCu等其它鈦合金的高性能、高熱穩定性超細晶組織的製備，並已經（jīng）拓（tuò）展至包括（kuò）鋼鐵材料在（zài）內的其它（tā）合金（jīn）體係中，為超細（xì）晶金屬材料的製備提供了新途徑，對超（chāo）細晶金屬材料的設計和研究具（jù）有重要意（yì）義。

以上工作由金屬（shǔ）所楊柯（kē）、任玲團隊，澳大利亞皇（huáng）家墨爾本理工大學邱冬團隊，金屬所（suǒ）沈陽材（cái）料科學國家（jiā）研究中心陳星秋團隊等合作完成。金屬所王海助（zhù）理研究員為第一作者，金屬所（suǒ）任玲項目研究員、澳大利亞皇家墨爾本（běn）理工大（dà）學邱冬教授為通訊作（zuò）者（zhě）。

該研究得到了（le）國家重（chóng）點（diǎn）研發（fā）計劃項目（mù）、國家自然科學基（jī）金重點與麵上項目、中國科學院國際合作重點項目、遼寧省“興遼英才計劃”等資助。

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https://www.nature.com/articles/s41467-022-29782-8

圖1 雙相蜂窩殼結構納米晶Ti6Al4V5Cu合金的組織設計與性能，（a）組織設計示意圖；（b）失穩溫度-晶（jīng）粒尺寸圖，顯示材料（liào）具有良好的組織熱穩定性；（c）室溫強度-延伸率（lǜ）圖，相較（jiào）於其它鈦合金，材料具有良好的強塑性匹配（pèi）；（d）650℃/0.01s-1條件下的拉伸應力-應變曲線，材料的延伸（shēn）率超過1000%。

圖2 雙相蜂（fēng）窩殼結構納米晶Ti6Al4V5Cu合金的組織表征與（yǔ）形（xíng）成機製分析（xī），（a）HAADF成像模（mó）式觀察；（b）能譜麵掃描觀（guān）察（chá）；（c）雙（shuāng）相蜂窩殼結（jié）構形成機製示意圖（tú）；（d）XRD衍（yǎn）射圖譜；（e）β·cos(θ)-sin(θ)圖，添加Cu使淬（cuì）火（huǒ）後合金（jīn）內的（de）微觀應變增大；（f）添加Cu細化了馬（mǎ）氏體板條；（g）添（tiān）加Cu有利於合金（jīn）在熱變形過程中發生柱麵滑移而形成等軸晶結構。

圖3 雙相蜂窩殼結構納米晶（jīng）Ti6Al4V5Cu合金的組織熱穩定性分析，（a）在不同溫度保（bǎo）溫1 小時後的EBSD組織；（b）高分辨TEM觀察，表明α、β、Ti2Cu相之間（jiān）具有特定的（de）晶體學取向關係；（c）基於第一性原理計算材料（liào）相界能的模型；（d）EBSD極圖（tú），表明α、β、Ti2Cu相（xiàng）在700℃保溫1小時後仍然可以保持初始（shǐ）的取向關係；（e）Ti6Al4V5Cu合金初（chū）始態組織的3DAP分析（xī）；（f）Ti6Al4V5Cu合金在650℃保溫1 小時後的3DAP分析。

圖4 原位SEM觀察在（zài）650℃拉伸（shēn）過程中的演（yǎn）變，（a）初始態SEM組織；（b）局部放大顯示材料（liào）具有蜂窩殼結構；（c）ε=0.4時的SEM組織；（d）局部放大顯示相界周（zhōu）圍的FIB刻痕發生了偏折；（e）基於FIB刻痕節點位移計算材料內的微觀應變分布；（e）相界麵（miàn）滑移對材料的超塑性變形（xíng）發揮了重要的作用。