與常（cháng）規晶粒尺度（5-10μm）的鈦合金相比，超細晶鈦合金不僅具有更高的強度與良好的（de）塑性匹（pǐ）配（pèi），同時還具有更高的耐磨性和更佳的生物（wù）相容性，在（zài）航空航天、生物醫學等諸多重要應用領域中極具（jù）吸引力。然而，超細晶鈦合金不僅製（zhì）備加工極為困難，且組織的熱穩定性較差（chà），這（zhè）兩大瓶頸問題製約了超細晶鈦合（hé）金的發展與應用。

中國科學（xué）院金屬研（yán）究所楊柯團隊長期從事（shì）新型（xíng）醫用金屬材料（liào）的（de）基礎與應用研究。近期，團隊成員任玲、王海等通過“雙（shuāng）相殼層包裹超細等軸（zhóu）晶”的顯微組織設計思想（圖（tú）1），同時從熱力學、動力學兩方麵提高超（chāo）細晶鈦合金組織（zhī）熱穩定性，並利（lì）用常規熱處理與熱加工的工藝組合，實現了上述顯微（wēi）組織的大（dà）尺寸（cùn）製備，解決了超細晶鈦合金（jīn）製備加工難、組織穩定性差的兩大瓶頸問題，獲（huò）得了性能優異和熱穩定性高的超細晶含銅鈦合金。近期，相關研究成果在《自然-通訊》（Nature Communications）在線（xiàn）發表。

研究團隊近（jìn）年來一直致力於含銅鈦合金的結（jié）構與生物功能一體化（huà）研究與應用。在前期研究工作基礎上（shàng），團隊提出“共析元素合金化→淬火→熱變形”（EQD）的超細晶含銅（tóng）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（de）顯微組織的設計思想。該策略通過常規的熱加工（gōng）設備實現了α-Ti晶粒（lì）尺寸在90-500 nm範圍內的超細晶Ti6Al4V5Cu合金（jīn）的大尺寸製（zhì）備（圖2）。與（yǔ）此同時，利用熱變形過程中（zhōng）形成的β/Ti2Cu雙相蜂窩殼結構包覆α晶粒，顯（xiǎn）著提高了超細等軸晶組織的熱穩定性（xìng），使材料的失穩溫度提高至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（hé）應變速率為0.01 s-1條件下，其拉伸延伸率超過1000%（圖1），實現了超塑性變形。此外，超細晶Ti6Al4V-5Cu合金在高溫拉伸的熱力耦（ǒu）合條件下（xià）未發生晶粒的（de）粗化長大（圖4）。該EQD策略不僅（jǐn）實現了TiCu、TiZrCu等（děng）其（qí）它鈦合金的高性能、高熱穩定性超細（xì）晶組織的製備，並已經拓展至包括鋼鐵（tiě）材料在（zài）內（nèi）的其它合金體係中，為超細晶金屬材料的製備提供了新途徑，對超細晶金屬材料（liào）的設計和研究具有重要意義。

以上工作由金屬所楊柯、任玲團隊，澳大利亞皇家墨爾本理（lǐ）工大學邱（qiū）冬團隊，金屬所沈陽材料科學國家研究中心陳星（xīng）秋團隊等合作完成。金屬所王海助理研究員為第一作者（zhě），金屬所任玲項目研究員、澳大利亞皇家墨爾本理工大學邱冬（dōng）教授為通訊作者。

該研究得到了（le）國（guó）家重點研發計劃項目（mù）、國家自（zì）然科學基金重點與麵上項目、中國科學院國際合作重點項目、遼寧（níng）省“興遼英才計劃”等資助。

全（quán）文鏈接：

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

圖1 雙（shuāng）相蜂（fēng）窩殼結構納米晶（jīng）Ti6Al4V5Cu合金的組織設計與性能，（a）組織設計示意（yì）圖；（b）失穩（wěn）溫度-晶粒尺寸圖，顯示材料具有良好的組（zǔ）織熱穩定性；（c）室溫強度-延伸率圖，相較於其它鈦合金，材料（liào）具有良好的強（qiáng）塑性匹配；（d）650℃/0.01s-1條件下的拉伸應力-應變曲線，材料（liào）的延伸率超過（guò）1000%。

圖（tú）2 雙（shuāng）相蜂窩殼（ké）結構納米晶（jīng）Ti6Al4V5Cu合金的組織表（biǎo）征與形成機製（zhì）分析，（a）HAADF成像模式觀察；（b）能譜麵掃描觀察；（c）雙相蜂窩殼結構形成機製示意圖；（d）XRD衍射（shè）圖譜；（e）β·cos(θ)-sin(θ)圖（tú），添加（jiā）Cu使淬火後合金內的微觀應變增大；（f）添加Cu細化了（le）馬（mǎ）氏體板條；（g）添加Cu有利（lì）於（yú）合金在熱變形過（guò）程中發生柱麵滑移而形成等軸（zhóu）晶結構。

圖3 雙相蜂窩殼結構納（nà）米晶Ti6Al4V5Cu合金（jīn）的（de）組織（zhī）熱穩定性分析，（a）在不同（tóng）溫（wēn）度保溫1 小時後的EBSD組織；（b）高分辨TEM觀察，表明α、β、Ti2Cu相之間具有特定的晶體學取（qǔ）向（xiàng）關（guān）係；（c）基於第一性原理計算（suàn）材料相（xiàng）界能的模型；（d）EBSD極圖，表明α、β、Ti2Cu相在700℃保溫1小時後仍然可以保（bǎo）持初（chū）始的取向關係；（e）Ti6Al4V5Cu合（hé）金初（chū）始態組織的3DAP分析；（f）Ti6Al4V5Cu合金在650℃保溫1 小時後的3DAP分析。

圖4 原位SEM觀察在650℃拉伸過程中的演變，（a）初（chū）始態SEM組（zǔ）織；（b）局（jú）部放大顯示材料具有蜂窩殼結構；（c）ε=0.4時的SEM組織（zhī）；（d）局（jú）部放大顯示相（xiàng）界周圍（wéi）的FIB刻（kè）痕發生了偏折；（e）基於FIB刻痕節點位移計（jì）算材料內的微觀（guān）應變分布；（e）相界麵滑移對材料的超塑性變形發揮（huī）了重要的作用。