在航天航空，汽车能源等领域，轻质高强的钛合金一直是金属材料构件的主流选择之一。凭借着其优异的耐腐蚀性能，钛合金在海洋、生物等领域同样大放异彩。但钛合金的优化经常要面临着在强度与塑性之间做选择，例如，目前已知可以通过O、N等间隙原子通过间隙强化提高钛合金的强度，但其塑性却会大幅度降低。

2025年7月24日国际期刊《Materials Research Letters》上在线发表了一篇题为“Microalloying as a key strategy to maximize the strength–ductility combination in dilute titanium alloys”的研究论文，报道了通过少量铼（Re）进行微合金化，从而激活纳米β相的析出强化机制，实现了2.8倍的屈服强度提升，并且依然保持有34%的高延伸率。

文章链接：

https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2536654

【核心内容】

在该项研究中，团队没有选择传统钛合金的“β基+α析出”的优化策略，而是创新性地提出在α-Ti中诱导出富Re的纳米β析出相，并通过系统表征揭示了其对位错运动与应变硬化行为的调控作用。结论显示这些细小的β析出物以纳米级尺寸弥散分布于α晶粒内部，形成了稳定的双相组织结构，同时因为Re元素其独特的电子结构，使得析出的β相具有极低的形成焓、优异的热力学稳定性以及高剪切模量和高GSFE能垒，从而在变形过程中显著提升了位错运动的难度，这类纳米β析出物不仅提供强化效应，还有效抑制了位错滑移的均匀化发展，增强了应变硬化能力，使得合金能够维持高的塑性水平。

图形摘要

【研究方法】

研究团队以纯Ti为基体，系统研究了0.1至10 wt.% Re含量的Ti–Re合金，通过熔炼、热处理（950 ℃均匀化1 h）、冷轧与820 ℃再结晶处理10 min等步骤制备微观结构均一的等轴再结晶组织，热处理冷却方式均为水冷，并结合DFT计算对β相的稳定性与力学性能进行原子尺度解析。

合金的制备过程及其最终淬火前在热力学稳定相图上的位置

【研究成果】

① 实现2.8倍屈服强度提升，延展性依然高达34%

拉伸测试结果显示，Ti–0.5Re合金的屈服强度高达439 MPa（对比纯Ti为156 MPa），同时延伸率保持在34%。在超低合金元素含量条件下实现高强高延展的协同提升，在以往研究中较为罕见。

主要力学性能随Re含量的变化

② 纳米级β相析出+显著晶粒细化带来协同强化机制

通过XRD、EBSD与TEM分析研究揭示，在Re添加量为0.1–0.5 wt.%区间时，材料内部形成两类β相：一类为晶粒内部的细长条状纳米β析出物，另一类为晶界上的楔形β粒子，其结合晶粒尺寸的急剧减小（从80µm降至4µm），实现了位错运动的强烈抑制与应变硬化能力的保持。

纯Ti和Ti-Re合金在再结晶状态的XRD结果

再结晶态纯Ti与Ti-Re合金的EBSD双模分析（IPF-IQ）

Ti–Re合金在不同Re含量下的微观结构演化

③ DFT理论计算揭示Re在β-Ti中具备超强稳定性与优异弹性性能

通过第一性原理计算，团队发现Ti–Re体系的β相形成焓远低于Ti–Fe、Ti–Nb等常规β稳定剂合金，同时具备最高的杨氏模量、剪切模量与最大堆垛层错能（GSFE），意味着在极低含量下即可形成热力学稳定、抗塑性变形能力强的强化相。

不同Ti–TM β合金的GSFE曲线

【总结与展望】

该研究以微合金化设计为出发点，首次提出利用Re这一强β稳定剂在α–Ti基体中形成纳米β析出相的“逆向析出强化”机制，为低成本、高性能钛合金的设计开辟了新路径，这种β析出的优化策略可以认为是一种新的钛合金基于塑性保持的强化机制。