在钛合金中，强塑平衡一直是绕不开的话题，O元素作为常见的间质元素，容易固溶到钛基体中，且钛对O有着较高的溶解度，在钛合金中，O往往在以间隙固溶体的形式存在，并对基体会有一个固溶强化的作用，但是其同时会带来脆性增加的问题，尤其是当氧含量超过0.2 wt.%时，传统观点认为会显著降低材料的韧性。目前对于钛合金的制备也以降低O含量为目标，因此，高氧钛合金一直停留在实验室研究阶段，难以工程化应用。

近日，长安大学赵秦阳教授团队创新性地利用化学+结构异质性的协同作用，通过控制氧含量诱导LRO-O结构，既发挥固溶强化，又调控位错行为，打破了这一“强塑性跷跷板”。2025年8月10日，长安大学赵秦阳教授团队联合东北大学、西北有色金属研究院等单位在《Acta Materialia》 期刊在线发表题为“Overcoming strength-ductility trade-off in titanium alloy by tailoring and regulating local-range ordered oxygen structure”的研究论文，团队提出并验证了一种通过调控纳米级局域有序氧（Local-Range Ordered Oxygen, LRO-O）结构，实现高氧含量钛合金强度与塑性同步提升的新方法。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121430

【核心内容】

研究提出了一种定制局域有序氧（LRO–O）结构的策略，以利用钛合金中间隙氧的潜力，团队创新性地在Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金（后续称基体合金为Ti-5553）内部构建并调控了纳米级局域有序氧（LRO-O）结构，并通过简单的退火进一步调节了这一结构的尺寸，从而实现了不同强度水平下优异的强度-塑性匹配，该策略不仅解决了钛合金的强度-塑性的权衡问题，还为设计其他钛合金系统提供了一种可扩展且具有成本效益的方法。

图形摘要

【研究方法】

团队在研究中共设置了0.12、0.36、0.62 wt.%三种O含量的Ti-5553-xO合金，其中Ti-5553-0.36O（后续称为0.36O合金）和Ti-5553-0.62O（后续称为0.62O合金）中的O来源于烧结原材料中的氢化-脱氢Ti粉，两种合金均通过短时粉末冶金工艺制备，成功在合金内引入并调控不同尺寸的LRO-O结构，并经过了退火处理，团队系统测试了Ti-5553-xO合金的室温拉伸性能，并利用APT、TEM、原位EBSD、原位TEM以及分子动力学模拟，解析了这一独特的微观结构是如何作用于力学性能的改变。

Ti-5553-xO合金（x=0.12/0.36/0.62）加工路线与热处理工艺示意图

【研究成果】

① LRO-O结构的形成与调控

APT与电子衍射结果显示，0.36 O合金中α相存在平均尺寸约2.2nm的中程有序氧（MRO-O）结构，0.62 O合金则为3.8nm。SRO-O结构（0.9nm）分布于次生α相中。通过退火可进一步调节MRO-O尺寸，这种氧原子纳米级团簇与α/β相分布的协同，对位错滑移模式产生显著影响。

Ti-5553-xO合金700℃退火后的显微组织与LRO-O结构特征

② 力学性能显著突破

0.36 O合金在屈服强度1.4~1.6GPa下仍保持10.6%~15.3%的延伸率，0.62 O合金在1.31.4GPa下延伸率达10%~11.4%，均远超传统高强钛合金及高氧钛合金的强塑性上限。应力-应变曲线中出现“双屈服”现象，源于位错先受MRO-O阻碍，再受SRO-O结构阻碍，实现持续应变硬化。

Ti-5553-xO合金的工程应力-应变曲线及强塑性对比

③ 位错机制的演化

原位及TEM观察表明，0.36 O合金在变形中由多向平面滑移转为交叉滑移，促进<c>-型位错独立形核，并通过<c+a>位错解离增强延展性。相比之下，0.62 O合金虽具类似强度，但大尺寸MRO-O限制了<c>-型位错形成，塑性稍低。

不同O含量合金的位错特征与滑移模式

Ti-5553-xO合金拉伸变形位错演化的分子动力学模拟

④ LRO-O结构的动态演化

原位TEM拉伸结果显示，0.36 O合金的MRO-O结构在塑性变形中可转化为SRO-O，促进跨晶滑移和均匀应变分布；而0.62 O合金的MRO-O仅减小尺寸，仍保留MRO尺度，导致局部应变集中。

原位TEM下LRO-O结构与塑性变形协同演化

【总结与展望】

该研究将“局域有序氧结构”引入高氧钛合金设计，并通过尺寸调控实现了超越传统氧含量限制的强塑性匹配，同时团队所采用的这一方法工艺简单、可扩展，不需要依赖昂贵的合金元素，有望在航空航天、高端制造等领域推动高氧高性能钛合金的工程化应用。