西安交大在钛合金强韧化方面取得进展

亚稳β钛合金具有高比强度、良好的耐腐蚀性、低模量和出色的生物相容性等优异性能，被广泛应用在航空航天、石油化工、航海等领域。其中，单相亚稳β钛合金因兼具较高强度和腐蚀抗力，近年来一直是行业内的研究热点。但针对单相合金的强化手段（例如固溶强化和细晶强化）对力学性能的提升仍然有限，导致单相亚稳β钛合金具有较低的屈服强度，限制了其进一步工程产业化应用。

针对上述问题，西安交大金属材料强度国家重点实验室孙军院士团队以d电子轨道理论设计合金成分，在保持单相固溶体的情况下构建出两种异质结构，进一步提升了单相亚稳β钛合金的综合力学性能。在成分设计上，考虑到合金的变形机制决定其宏观力学性能，因此设计出同时具有位错滑移和变形孪晶的合金成分，以期望通过位错滑移提供高强度，通过变形孪晶提供大塑性。

在结构设计上，利用晶粒再结晶过程的动态性，以热轧辅以短时固溶处理，控制微观结构异质性（晶粒尺寸和位错密度），巧妙构筑出表层再结晶+芯部非再结晶的异质层状结构（HLS）和表层再结晶+芯部部分再结晶的异质双峰结构（HBS）。随后，从异质结构软硬区的协同变形效应对变形孪晶/位错滑移的激活和力学性能进行了深入的分析。

研究结果表明，与传统的GEG（再结晶等轴晶粒）钛合金相比，具有最高背应力的HBS钛合金表现出最高的强度，而HLS钛合金表现出强度和延展性的最优结合。

此外，位错滑移首先发生在HLS钛合金中，而孪晶首先发生在HBS和GEG钛合金中，这分别与预先位错密度和孪晶触发的尺寸效应密切相关。进一步证明位错工程和异质结构设计的结合可使亚稳β钛合金具有出色的强度-延展性平衡。

最后，在本构模型中引入晶粒尺寸和位错密度的异质分布，并联合塑性变形过程中软硬区的各向同性硬化和随动硬化，合理解释了异质结构引起的性能提升。精心设计的异质结构和变形机制的组合（孪晶+滑移）为单相合金的强韧化提供了一种新途径，可适用于其他单相合金体系并具有极大的工业应用潜力。

相关研究成果以Achieving superior strengthductility balance in a novel heterostructured strong metastable β-Ti alloy为题发表在International Journal of Plasticity上。