呂堅(jiān)院士&徐舜教授團(tuán)隊(duì)《Nature》子刊：強(qiáng)化–亞穩(wěn)態(tài)協(xié)同實(shí)現(xiàn)增材制造鈦合金極高加工硬化！

先進(jìn)鈦（Ti）合金因其卓越的比強(qiáng)度而備受青睞，已成為航空航天和 3C（計(jì)算機(jī)、通信與消費(fèi)電子）等高技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵材料，在這些領(lǐng)域中，輕量化與耐久性直接決定著技術(shù)進(jìn)步的水平。增材制造（AM）作為一種變革性制造范式，應(yīng)運(yùn)而生，使得從消費(fèi)級(jí)原型到工業(yè)規(guī)模量產(chǎn)，均能夠以近凈成形的精度快速制備幾何形狀高度復(fù)雜的鈦合金構(gòu)件。然而，一個(gè)關(guān)鍵瓶頸依然存在：當(dāng)前最先進(jìn)的AM 鈦合金通常通過犧牲塑性來獲得超高屈服強(qiáng)度（YS > 1 GPa），其均勻延伸率顯著降低（UE < 5%），且加工硬化能力不足（θ< 2000 MPa），這嚴(yán)重限制了其在承載應(yīng)用中的損傷容限和結(jié)構(gòu)可靠性。

提高鈦合金屈服強(qiáng)度通常不可避免地依賴于通過固溶強(qiáng)化、第二相（如 α 馬氏體）引入以及晶粒細(xì)化等內(nèi)在組織特征來阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。然而，這類強(qiáng)化方式在變形過程中往往由于位錯(cuò)的大量累積與纏結(jié)而誘發(fā)局部應(yīng)力集中。盡管加工硬化可以通過重新分配應(yīng)變集中來在一定程度上緩解這一問題，但傳統(tǒng)的加工硬化增強(qiáng)手段（例如相變誘發(fā)塑性，TRIP）通常會(huì)以犧牲屈服強(qiáng)度為代價(jià)。此外，在缺乏足夠“硬化儲(chǔ)備”的情況下，將高屈服強(qiáng)度與過高的加工硬化能力相結(jié)合同樣是不理想的；相關(guān)嘗試往往導(dǎo)致材料在屈服后不久即發(fā)生頸縮或斷裂，從而表現(xiàn)出較低的均勻延伸率，例如增材制造馬氏體時(shí)效鋼中的早期失效現(xiàn)象。這些現(xiàn)象共同表明，鈦合金長期受困于“強(qiáng)度–加工硬化–延展性”之間的固有悖論。

在增材制造合金中，這一挑戰(zhàn)進(jìn)一步加劇。AM 過程中的快速非平衡凝固通常促使形成細(xì)小的顯微組織和較高的位錯(cuò)密度，這些特征雖有利于強(qiáng)度提升，卻嚴(yán)重削弱了材料的加工硬化能力。這種加工硬化能力的不足對(duì)于AM 合金的損傷容限尤為不利，因?yàn)槌尚螒B(tài)AM 構(gòu)件不可避免地包含隨機(jī)分布的工藝缺陷，在外加載荷作用下極易誘發(fā)早期損傷與斷裂。盡管通過引入β 穩(wěn)定化元素（如 Fe、Cr 或 Ni，通常為少量添加）進(jìn)行亞穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)已被證明可在一定程度上提升加工硬化能力和均勻延伸率，但在AM 鈦合金中如何同時(shí)維持較高的屈服強(qiáng)度仍缺乏清晰認(rèn)識(shí)。此外，穩(wěn)定化元素的最優(yōu)選擇以及難以區(qū)分的顯微組織演化過程（例如成形態(tài)α′馬氏體與 TRIP 誘發(fā) α′馬氏體在晶體學(xué)結(jié)構(gòu)上的高度相似性）進(jìn)一步掩蓋了性能提升的本質(zhì)機(jī)制。鑒于傳統(tǒng)亞穩(wěn)態(tài)鈦合金中普遍存在不完全相變（不可避免地保留殘余基體），這一不確定性引出了一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題：是否能夠通過一種協(xié)同設(shè)計(jì)策略，在最大化強(qiáng)化效應(yīng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)完整的相變過程，從而突破上述限制。

在此，香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)提出了一種強(qiáng)化–亞穩(wěn)態(tài)協(xié)同（strengthening–metastability synergy）設(shè)計(jì)范式，通過精確調(diào)控高效穩(wěn)定化元素，在鈦合金中解鎖前所未有的綜合性能。增材制造過程中快速凝固所引入的成分非均勻性，使得5 wt.% CoCrNi 合金化的Ti-6Al-4V 表現(xiàn)出相較于其他穩(wěn)定化元素更為突出的強(qiáng)化效率。基于這一設(shè)計(jì)，我們實(shí)現(xiàn)了以下三點(diǎn)關(guān)鍵目標(biāo)：1）形成具有良好延展性的亞穩(wěn)β 相（而非穩(wěn)定β 相）；2）在兼顧亞穩(wěn)態(tài)能力的前提下，實(shí)現(xiàn)更高的固溶強(qiáng)化效率；3）在變形過程中觸發(fā)完整的兩步馬氏體相變，生成互孿晶結(jié)構(gòu)，從而維持持續(xù)而漸進(jìn)的加工硬化能力。

近期相關(guān)研究結(jié)果以Harnessing strengthening-metastability synergy for extreme work hardening in additively manufactured titanium alloys為題在線發(fā)表與Nature Communications上。北京理工大學(xué)材料學(xué)院徐舜教授為論文共同通訊，香港城市大學(xué)陳緒梁博士，謝友能博士和香港科技大學(xué)張?zhí)炻≈斫淌跒檎撐墓餐谝蛔髡摺?/p>

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-67683-8

核心思路是什么？

研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)比較不同 β 穩(wěn)定化元素的穩(wěn)定能力與固溶強(qiáng)化效率，發(fā)現(xiàn) Co–Cr–Ni 體系在單位穩(wěn)定能力下具有異常突出的強(qiáng)化效率。基于此，利用LPBF 原位混粉制備了Ti-6Al-4V + 5 wt.% CoCrNi 合金，并充分利用AM 非平衡凝固引入的成分非均勻性，構(gòu)建出高度異質(zhì)的亞穩(wěn)組織，可實(shí)現(xiàn)完整、連續(xù)的兩步 TRIP。

結(jié)果令人矚目：屈服強(qiáng)度≈1030 MPa、最大加工硬化率5.7GPa、均勻延伸率≈9.3%，為基體合金的3 倍。

關(guān)鍵洞察：穩(wěn)定能力≠強(qiáng)化效率

這項(xiàng)工作從一個(gè)非常“材料學(xué)本源”的角度重新審視問題：一種元素穩(wěn)定 β 相的能力（Mo 當(dāng)量）并不等價(jià)于它單位含量下提供的固溶強(qiáng)化能力，作者引入了一個(gè)“雙參數(shù)設(shè)計(jì)框架”：

• 一軸：β穩(wěn)定能力（[Mo]eq）

• 另一軸：固溶強(qiáng)化效率（Bi）

結(jié)果發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常有意思的區(qū)域——Co–Cr–Ni 體系在“穩(wěn)定能力× 強(qiáng)化效率”這兩個(gè)維度上，處于極其罕見的最優(yōu)組合區(qū)間。

關(guān)鍵機(jī)制：完整、連續(xù)的兩步TRIP

利用AM非平衡凝固保留更低穩(wěn)定性的亞穩(wěn)β相，不同于傳統(tǒng)亞穩(wěn)鈦合金中常見的不完全相變（β→ β/α′），該合金在變形過程中觸發(fā)了完整且連續(xù)的兩步馬氏體相變路徑：

• 早期變形中，亞穩(wěn) β 相轉(zhuǎn)變?yōu)?α′馬氏體，迅速提升加工硬化能力；

• 隨著應(yīng)變?cè)黾樱瑲堄?β 相進(jìn)一步完全轉(zhuǎn)變，并與早期生成的 α′形成互孿晶結(jié)構(gòu)。

這種層級(jí)化的 α′/α′孿晶網(wǎng)絡(luò)一方面通過動(dòng)態(tài)Hall–Petch 效應(yīng)持續(xù)抑制位錯(cuò)滑移，另一方面又能有效緩解界面應(yīng)力集中，使加工硬化在高應(yīng)變階段仍得以維持。這使得加工硬化不是“一下子爆發(fā)”，而是被“分階段釋放”。

這項(xiàng)工作的真正意義

這項(xiàng)研究的價(jià)值，并不僅僅在于“性能刷新紀(jì)錄”，而在于它提供了一種可遷移、可推廣的設(shè)計(jì)范式：

• 不再簡單追求 “ 更強(qiáng)的亞穩(wěn)態(tài) ”

• 而是 精確耦合：強(qiáng)化效率 × 相變路徑 × AM 非平衡特征

• 讓 TRIP 不再 “ 吞噬強(qiáng)度 ” ，而是與高屈服強(qiáng)度共存

這種思路不僅適用于鈦合金，也為：超高強(qiáng)鋼、中/高熵合金、其他加工硬化受限體系提供了一個(gè)全新的“解題思路”

圖 1. Ti-6Al-4V + 5 wt.% CoCrNi 的設(shè)計(jì)理念。(a) 添加系數(shù)與固溶強(qiáng)化系數(shù)之間的關(guān)系。相關(guān)數(shù)據(jù)基于[Mo]eq方程及固溶強(qiáng)化效應(yīng)計(jì)算得到。(b) 計(jì)算得到的固溶強(qiáng)化效應(yīng)隨 β 穩(wěn)定化能力變化的關(guān)系。

圖 2. Ti-6Al-4V 與Ti-6Al-4V + 5% CoCrNi 合金的力學(xué)性能。(a)拉伸工程應(yīng)變–應(yīng)力曲線及（內(nèi)插圖）真實(shí)應(yīng)變–應(yīng)力曲線。(b)加工硬化率曲線。(c) 不同鈦合金體系中屈服強(qiáng)度（YS）與 (UTS–YS)×UE 的對(duì)比。(d) 不同鈦合金體系中均勻延伸率（UE）與極限抗拉強(qiáng)度（UTS）的對(duì)比。(e) 考慮材料密度后的均勻延伸率（UE）與比極限強(qiáng)度（specific UTS）的對(duì)比。同時(shí)將本研究合金的力學(xué)性能與其他成形態(tài)（as-AM）合金進(jìn)行比較。

圖 3. 打印態(tài)（as-printed）Ti-6Al-4V + 5% CoCrNi 合金的顯微組織。(a) 混合粉末與成形態(tài)樣品的 XRD 圖譜。(b) 沿掃描方向（SD）和成形方向（BD）的三維背散射電子（BSE）圖像。(c) 沿 BD 方向的電子背散射衍射（EBSD）相分布及原始 β 晶界映射。(d) (b) 中標(biāo)示區(qū)域的高倍 BSE 圖像。(e) 不同區(qū)域中的CoCrNi 含量統(tǒng)計(jì)，至少選取五個(gè)位置并給出標(biāo)準(zhǔn)偏差。(f)亞穩(wěn) β 相的形貌及其化學(xué)成分的線掃描結(jié)果（g）。

圖 4. 顯微組織表征。(a) α′相典型的透射電子顯微鏡（TEM）形貌及其能量色散 X 射線譜（EDS）化學(xué)成分分布。(b) 穩(wěn)定 β 相的BSE 與 TEM 形貌及其化學(xué)成分分布。

圖 5. 不同拉伸應(yīng)變下的準(zhǔn)原位EBSD結(jié)果。(a) 不同工程應(yīng)變下典型富 β 區(qū)域的相分布圖（疊加帶襯度）。藍(lán)色區(qū)域?qū)?yīng) bcc 相，紅色區(qū)域?qū)?yīng) hcp 相。(b) 不同[Mo]eq相穩(wěn)定性條件下局部區(qū)域中的β 相體積分?jǐn)?shù)。(c) 基于 β 相穩(wěn)定性 [Mo]eq與變形應(yīng)變的 TRIP 行為總結(jié)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果來自不同應(yīng)變條件下 EBSD 與 TEM 表征的三十余個(gè)局部區(qū)域（典型TEM 結(jié)果見圖 S20）。不同 TRIP 區(qū)域之間的分界線根據(jù)屈服應(yīng)變（左邊界）、最小測(cè)得的 [Mo]eq（下邊界）以及重疊區(qū)域的關(guān)鍵中點(diǎn)（上邊界與對(duì)角邊界）進(jìn)行近似繪制。

圖 6. 變形機(jī)制的TEM 分析。(a–b) 應(yīng)變 2.5% 時(shí)的明場(chǎng)與暗場(chǎng) TEM 圖像。(c) 圖(a) 對(duì)應(yīng)的選區(qū)電子衍射（SAED）花樣。(d) 顯示 α′/β共格界面的高分辨 TEM（HRTEM）圖像（插圖為 FFT 圖像）。(e) 應(yīng)變 6.0% 時(shí)的明場(chǎng)TEM 圖像，插圖 SAED 花樣表明 α′變體（v1與 v2）之間存在互孿晶關(guān)系。(f) 低倍暗場(chǎng) TEM 圖像及插入的高分辨 TEM 圖像。(g) 顯示孿晶界的高分辨TEM 圖像。(h) 孿晶界處的位錯(cuò)分布。(i–j) 斷裂后的暗場(chǎng)與高分辨 TEM 圖像。(k–l) 孿晶界處的位錯(cuò)累積情況。

圖 7. 變形機(jī)制示意圖。

主要作者介紹

呂堅(jiān)院士（通訊作者）：法國國家技術(shù)科學(xué)院（NATF）院士、香港工程院院士、香港材料研究會(huì)理事長（HKMRS）、香港城市大學(xué)機(jī)械工程系講座教授、工學(xué)院院長、國家貴金屬材料工程研究中心香港分中心主任、先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料中心主任。研究方向涉及先進(jìn)結(jié)構(gòu)與功能納米材料的制備和力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)與功能材料的設(shè)計(jì)及增材制造，圖靈及高熵合金催化劑在電解水制綠氫及燃料電池與污水處理，超高靈敏度表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）及在心腦血管疾病早期快速診斷，環(huán)保，食品安全等領(lǐng)域的應(yīng)用。西安交通大學(xué)、東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、南昌大學(xué)名譽(yù)教授，西北工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)和西南交通大學(xué)顧問教授，中科院知名學(xué)者團(tuán)隊(duì)成員，2011年被法國國家技術(shù)科學(xué)院（NATF）選為院士，是該院近300位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統(tǒng)任命獲法國國家榮譽(yù)騎士勛章及法國國家榮譽(yù)軍團(tuán)騎士勛章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎(jiǎng)。2025年獲選美國國家發(fā)明家科學(xué)院（NAI）院士。已取得89項(xiàng)歐、美（53項(xiàng)）、中發(fā)明專利授權(quán)，在本領(lǐng)域頂尖雜志Nature（封面文章），Science，Nature Materials，Nature Chemistry，Nature Water，Science Advances，Nature Communication，PNAS，Materials Today，Advanced Materials, JACS, Angew. Chem. JMPS, Acta Materialia 等專業(yè)期刊上發(fā)表論文650余篇，引用54000余次，H因子105。

個(gè)人主頁：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

徐舜教授（共同通訊作者），北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者，教授，博導(dǎo)，入選國家級(jí)青年人才。博士畢業(yè)于法國洛林大學(xué)，在美國內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)完成博士后，一直圍繞高性能鈦合金，通過EBSD/TEM等微觀表征，結(jié)合DFT/MD/CPFEM/VPSC等跨尺度計(jì)算，開展新型鈦合金設(shè)計(jì)與增材制造、變形行為與強(qiáng)韌化、相變與孿生機(jī)理等方面研究，以第一/通訊作者（含共同）發(fā)表Nature Communications (1)、Acta Mater (8)、International Journal of Plasticity (2) 等論文30余篇，研發(fā)的新型鈦合金實(shí)現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化，支撐新一代裝備的發(fā)展。

陳緒梁博士（共同第一作者）：香港城市大學(xué)博士后，2022年獲香港城市大學(xué)博士學(xué)位，主要研究方向：高性能金屬（鈦合金，高熵合金，鋼等）的激光增材制造及其強(qiáng)韌化，表面超疏水抗凍等仿生界面等。以第一作者/共一/通訊發(fā)表Nature Communications, Materials Science and Engineering: R: Reports, Journal of Materials Processing Technology等多篇國際高水平期刊論文。

謝友能博士（共同第一作者）：香港城市大學(xué)深圳研究院博士后，合作導(dǎo)師為呂堅(jiān)院士。主要從事高性能鈦合金的開發(fā)與應(yīng)用，主要針對(duì)鈦合金結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能研究。在Nature Communications等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文多篇。

張?zhí)炻〗淌冢ü餐谝蛔髡撸簭執(zhí)炻〗淌谀壳叭温氂谙愀劭萍即髮W(xué)機(jī)械及航空航天工程學(xué)系（MAE, HKUST），擔(dān)任助理教授（Tenure Track Assistant Professor）、研究員、博士生導(dǎo)師，獨(dú)立PI。張?zhí)炻〗淌诮陙碇铝τ谙冗M(jìn)金屬材料的設(shè)計(jì)和微觀組織調(diào)控，并在材料計(jì)算模擬-實(shí)驗(yàn)表征等多尺度多手段交叉學(xué)科領(lǐng)域具有廣泛的研究興趣和經(jīng)驗(yàn)。主要研究方向包括基于增材制造(3D打印)的先進(jìn)高性能合金設(shè)計(jì)、極端環(huán)境下材料的微觀組織演化和變形行為、和相變路徑的多尺度原位表征-相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)研究等。相關(guān)科研成果發(fā)表于Science、Nature Communications、PNAS、Acta Materialia等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊，申請(qǐng)多項(xiàng)相關(guān)專利和軟件著作權(quán)，同時(shí)先后擔(dān)任多個(gè)國際期刊與雜志的編委、審稿人。張教授獲得了多個(gè)國家級(jí)和省市級(jí)的研究資助，并獲得香港研資局杰出青年學(xué)者計(jì)劃、中國科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃的支持。研究成果已獲得超過4,000次引用，H指數(shù)為23，在國際國內(nèi)會(huì)議做多次大會(huì)、主旨和邀請(qǐng)報(bào)告

來源：材料科學(xué)與工程公眾號(hào)。感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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