港城大/北理工 l 强化–亚稳态协同实现增材制造钛合金极高加工硬化

| 3DScienceValley · 2026/01/08

谷专栏

香港城市大学吕坚院士团队提出了一种强化–亚稳态协同（strengthening–metastability synergy）设计范式，通过精确调控高效稳定化元素，在钛合金中解锁前所未有的综合性能。材制造过程中快速凝固所引入的成分非均匀性，使得 5 wt.% CoCrNi 合金化的 Ti-6Al-4V 表现出相较于其他稳定化元素更为突出的强化效率。

近期相关研究结果以Harnessing strengthening-metastability synergy for extreme work hardening in additively manufactured titanium alloys为题在线发表于Nature Communications上。北京理工大学材料学院徐舜教授为论文共同通讯，香港城市大学陈绪梁博士，谢友能博士和香港科技大学张天隆助理教授为论文共同第一作者。

本期谷·专栏将分享这一研究成果。

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

解锁钛合金前所未有的综合性能

先进钛（Ti）合金因其卓越的比强度而备受青睐，已成为航空航天和 3C（计算机、通信与消费电子）等高技术领域不可或缺的关键材料，在这些领域中，轻量化与耐久性直接决定着技术进步的水平。增材制造（AM）作为一种变革性制造范式，应运而生，使得从消费级原型到工业规模量产，均能够以近净成形的精度快速制备几何形状高度复杂的钛合金构件。

然而，一个关键瓶颈依然存在：当前最先进的A 钛合金通常通过牺牲塑性来获得超高屈服强度（YS>1 GPa），其均匀延伸率显著降低（UE < 5%），且加工硬化能力不足（θ<2000 MPa），这严重限制了其在承载应用中的损伤容限和结构可靠性。

提高钛合金屈服强度通常不可避免地依赖于通过固溶强化、第二相（如α马氏体）引入以及晶粒细化等内在组织特征来阻碍位错运动。然而，这类强化方式在变形过程中往往由于位错的大量累积与缠结而诱发局部应力集中。尽管加工硬化可以通过重新分配应变集中来在一定程度上缓解这一问题，但传统的加工硬化增强手段（例如相变诱发塑性，TRIP）通常会以牺牲屈服强度为代价。此外，在缺乏足够“硬化储备”的情况下，将高屈服强度与过高的加工硬化能力相结合同样是不理想的；相关尝试往往导致材料在屈服后不久即发生颈缩或断裂，从而表现出较低的均匀延伸率，例如增材制造马氏体时效钢中的早期失效现象。这些现象共同表明，钛合金长期受困于“强度–加工硬化–延展性”之间的固有悖论。

在增材制造合金中，这一挑战进一步加剧。AM过程中的快速非平衡凝固通常促使形成细小的显微组织和较高的位错密度，这些特征虽有利于强度提升，却严重削弱了材料的加工硬化能力。这种加工硬化能力的不足对于AM合金的损伤容限尤为不利，因为成形态AM构件不可避免地包含随机分布的工艺缺陷，在外加载荷作用下极易诱发早期损伤与断裂。尽管通过引入β稳定化元素（如 Fe、Cr 或 Ni，通常为少量添加）进行亚稳态设计已被证明可在一定程度上提升加工硬化能力和均匀延伸率，但在AM钛合金中如何同时维持较高的屈服强度仍缺乏清晰认识。此外，稳定化元素的最优选择以及难以区分的显微组织演化过程（例如成形态α′马氏体与TRIP诱发α′马氏体在晶体学结构上的高度相似性）进一步掩盖了性能提升的本质机制。鉴于传统亚稳态钛合金中普遍存在不完全相变（不可避免地保留残余基体），这一不确定性引出了一个关键科学问题：是否能够通过一种协同设计策略，在最大化强化效应的同时，实现完整的相变过程，从而突破上述限制。

在此，本研究提出了一种强化–亚稳态协同（strengthening–metastability synergy）设计范式，通过精确调控高效稳定化元素，在钛合金中解锁前所未有的综合性能。增材制造过程中快速凝固所引入的成分非均匀性，使得5wt.% CoCrNi合金化的Ti-6Al-4V表现出相较于其他稳定化元素更为突出的强化效率。

基于这一设计，研究团队实现了以下三点关键目标：1）形成具有良好延展性的亚稳β相（而非稳定β相）；2）在兼顾亚稳态能力的前提下，实现更高的固溶强化效率；3）在变形过程中触发完整的两步马氏体相变，生成互孪晶结构，从而维持持续而渐进的加工硬化能力。

核心思路

研究团队通过系统比较不同β 稳定化元素的稳定能力与固溶强化效率，发现Co–Cr–Ni 体系在单位稳定能力下具有异常突出的强化效率。基于此，利用 LPBF 原位混粉制备了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匀性，构建出高度异质的亚稳组织，可实现完整、连续的两步TRIP。

结果令人瞩目：

·屈服强度：≈1030 MPa
·最大加工硬化率：5.7 GPa
·均匀延伸率：≈9.3%，为基体合金的 3 倍

关键洞察：

稳定能力 ≠ 强化效率

这项工作从一个非常“材料学本源”的角度重新审视问题：

一种元素稳定 β 相的能力（Mo 当量）并不等价于它单位含量下提供的固溶强化能力，作者引入了一个“双参数设计框架”：

·一轴：β稳定能力（[Mo]eq）
·另一轴：固溶强化效率（Bi）

结果发现一个非常有意思的区域 — Co–Cr–Ni 体系在“稳定能力 × 强化效率”这两个维度上，处于极其罕见的最优组合区间。

关键机制：

完整、连续的两步TRIP

利用AM非平衡凝固保留更低稳定性的亚稳β相，不同于传统亚稳钛合金中常见的不完全相变（β → β/α′），该合金在变形过程中触发了完整且连续的两步马氏体相变路径：

1、早期变形中，亚稳β相转变为α′马氏体，迅速提升加工硬化能力；

2、随着应变增加，残余β相进一步完全转变，并与早期生成的 α′ 形成互孪晶结构。

这种层级化的α′/α′ 孪晶网络一方面通过动态Hall–Petch 效应持续抑制位错滑移，另一方面又能有效缓解界面应力集中，使加工硬化在高应变阶段仍得以维持。这使得加工硬化不是“一下子爆发”，而是被“分阶段释放”。

这项工作的真正意义

这项研究的价值，并不仅仅在于“性能刷新纪录”，而在于它提供了一种可迁移、可推广的设计范式：

·不再简单追求“更强的亚稳态”
·而是精确耦合：强化效率×相变路径×AM 非平衡特征
·让TRIP 不再“吞噬强度”，而是与高屈服强度共存

这种思路不仅适用于钛合金，也为：超高强钢、中/高熵合金、其他加工硬化受限体系提供了一个全新的“解题思路”。

结果速览

图 1. Ti-6Al-4V + 5 wt.% CoCrNi 的设计理念。(a) 添加系数与固溶强化系数之间的关系。相关数据基于 [Mo]eq 方程及固溶强化效应计算得到。(b) 计算得到的固溶强化效应随 β 稳定化能力变化的关系。

图 2. Ti-6Al-4V 与 Ti-6Al-4V + 5% CoCrNi 合金的力学性能。(a) 拉伸工程应变–应力曲线及（内插图）真实应变–应力曲线。(b) 加工硬化率曲线。(c) 不同钛合金体系中屈服强度（YS）与 (UTS–YS)×UE 的对比。 (d) 不同钛合金体系中均匀延伸率（UE）与极限抗拉强度（UTS）的对比。(e) 考虑材料密度后的均匀延伸率（UE）与比极限强度（specific UTS）的对比。同时将本研究合金的力学性能与其他成形态（as-AM）合金进行比较。

图 3. 打印态（as-printed）Ti-6Al-4V + 5% CoCrNi 合金的显微组织。(a) 混合粉末与成形态样品的 XRD 图谱。(b) 沿扫描方向（SD）和成形方向（BD）的三维背散射电子（BSE）图像。(c) 沿 BD 方向的电子背散射衍射（EBSD）相分布及原始 β 晶界映射。(d) (b) 中标示区域的高倍 BSE 图像。(e) 不同区域中的 CoCrNi 含量统计，至少选取五个位置并给出标准偏差。(f) 亚稳 β 相的形貌及其化学成分的线扫描结果（g）。

图 4. 显微组织表征。(a) α′ 相典型的透射电子显微镜（TEM）形貌及其能量色散 X 射线谱（EDS）化学成分分布。(b) 稳定 β 相的 BSE 与 TEM 形貌及其化学成分分布。

图 5. 不同拉伸应变下的准原位EBSD 结果。(a) 不同工程应变下典型富 β 区域的相分布图（叠加带衬度）。蓝色区域对应 bcc 相，红色区域对应 hcp 相。(b) 不同 [Mo]eq 相稳定性条件下局部区域中的 β 相体积分数。(c) 基于 β 相稳定性 [Mo]eq 与变形应变的 TRIP 行为总结，统计结果来自不同应变条件下 EBSD 与 TEM 表征的三十余个局部区域（典型 TEM 结果见图 S20）。不同 TRIP 区域之间的分界线根据屈服应变（左边界）、最小测得的 [Mo]eq（下边界）以及重叠区域的关键中点（上边界与对角边界）进行近似绘制。

图 6. 变形机制的 TEM 分析。(a–b) 应变 2.5% 时的明场与暗场 TEM 图像。(c) 图 (a) 对应的选区电子衍射（SAED）花样。(d) 显示 α′/β 共格界面的高分辨 TEM（HRTEM）图像（插图为 FFT 图像）。(e) 应变 6.0% 时的明场 TEM 图像，插图 SAED 花样表明 α′ 变体（v1 与 v2）之间存在互孪晶关系。(f) 低倍暗场 TEM 图像及插入的高分辨 TEM 图像。(g) 显示孪晶界的高分辨 TEM 图像。(h) 孪晶界处的位错分布。(i–j) 断裂后的暗场与高分辨 TEM 图像。(k–l) 孪晶界处的位错累积情况。