Nature子刊：局部有序氧结构Ti5553合金，1.7GPa超高强塑性与疲劳强度

2025-08-08 16:46:09 作者：材料强化与防护来源：材料强化与防护分享至：

在航空航天应用中轻量化设计目标的推动下，解决强度和延展性之间固有的权衡困境，以及探究疲劳强度和强度-延展性之间的模糊关系，一直是实现高性能钛（Ti）合金的重大挑战。控制间隙氧（O）的添加已成为增强钛合金机械性能的变革性策略。间隙O不仅通过间隙固溶强化，还通过影响亚稳态相（ω、α'和α“等）的形成和定性来增强 Ti 合金的强度。钛合金可以保持较好的延展性，但将延展性保持在高强度水平仍然很困难。此外，由于高 O 含量下疲劳寿命严重下降，对高 O 含量 Ti 合金抗疲劳性能的研究受到限制。因此，解决O偏析问题对于实现高O含量高强度和延展性钛合金的工业化，以及揭示其在航空航天和其他苛刻应用领域的潜力至关重要。

化学局部有序（LRO）结构包含化学短/中程有序（SRO/MRO）结构，可以通过改变位错剪切模式来协调变形，从而促进加工硬化并增强金属材料的抗疲劳性能。近日，长安大学联合西北有色研究院副总工程师赵永庆教授团队通过粉末冶金短工艺制备的广泛使用的 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr（Ti-5553）商业亚稳态钛合金，将 0.36 wt%的 O 引入到大尺度材料（长度 6 m 以上，直径 16 mm）。LRO-O结构增强抗疲劳性，实现了强度、延性和疲劳强度的三种性能协同作用。该论文于2025年8月4日在Nature子刊中在线发表。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-62646-5

【核心内容】

该研究将间隙O原子被定制为Ti-5553-0.36O合金中的LRO-O结构，旨在减少甚至消除O偏析，并抑制界面处的裂纹成核。该结构通过促进<c>型位错的形成，实现交叉滑移，在拉伸变形下将滑移由平面转变为波浪形进行塑性流动均质化，并将<c>型位错相互作用与孪生和主导平面滑移相结合，增强抗疲劳性。该合金具有高强度（1.7 GPa）、伸长率（7.9%）和疲劳强度（1058.3 MPa），优于许多高强度、高O的Ti合金。该研究结果为钛合金提供了一条可扩展的实用途径，无需昂贵的合金元素即可获得卓越的机械性能。

单轴拉伸和高周疲劳性能

【研究方法】

该研究中的Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-xO（x = 0.22 wt%和 0.36 wt%）合金是通过粉末冶金方法从制备的粉末混合物中合成的。粉末为含约0.15 wt%和0.3 wt%O 的氢化脱氢Ti 粉末、Al-Mo母合金粉末、纯V和纯Cr粉末。使用TEM和APT检测了O在原子尺度上显微结构，并在EBSD和TEM中进行原位拉伸试验。

【研究成果】

① 短/中程氧有序显微组织

该0.36 O合金的显微组织表现出明显的层状结构，αP相具有明显的链状形貌。合金的三维重建揭示了 4At.%O 的O等浓度表面表明O在合金的α相中相对均匀地分散，其分布表现为纳米级的 LRO 结构。

0.36 O合金中LRO-O，含短/中程 O（SRO-O/MRO-O）的显微组织和特征

② 原位拉伸测试

该研究发现5%应变下明显存在交叉滑移，而10%应变下拉伸载荷超过了附加滑移系统的临界分离剪应力，αP晶粒中出现额外的滑移线。其中LRO-O结构通常促进晶粒内均匀位错分布。此外，交叉滑移或多滑移系统的激活可以局部增加 GND 密度，而不会显著改变晶体取向，从而保持相对较低的 KAM 和 GOS 分布。因此，0.36 O合金表现出优异的变形均匀性，能够承受极端的塑性变形。