鈦合金及鈦基復(fù)合材料是應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)材料之一，其具有高比強(qiáng)度、高韌性、耐磨性等諸多優(yōu)勢。設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化是結(jié)構(gòu)鈦合金材料的重要主題，也是對(duì)輕量化趨勢和“碳中和”發(fā)展的積極響應(yīng)。除常規(guī)鈦合金外（如CP-Ti，Ti-6Al-4V等），通過銅模鑄造法制備的多組元非晶態(tài)鈦合金具有顯著提高的力學(xué)性能，如TiCuNiSnTa等，受研究者青睞。然而，銅模鑄造法對(duì)合金成分有嚴(yán)苛要求，限制了多組元鈦合金的廣泛發(fā)展。后來，研究者們基于多組元非晶合金的晶化方法，成功制備出等軸超細(xì)fcc第二相和bcc β-Ti基體，或微米晶fcc第二相和超細(xì)共晶基體的雙尺度鈦合金，但其強(qiáng)韌性仍然受限。

為了進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)材料鈦合金的強(qiáng)度，研究者們做了大量努力。其中，在鈦合金中設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)或引入硬質(zhì)增強(qiáng)相的策略是有效且應(yīng)用最廣泛的方法之一，包括通過引入TiC、TiB增強(qiáng)相構(gòu)建核-殼結(jié)構(gòu)或后氧化引入氧化層殼結(jié)構(gòu)。但是，引入增強(qiáng)相可能犧牲其塑性，并且現(xiàn)有策略需要引入額外增強(qiáng)顆?；蚝筇幚砉に囈詷?gòu)建理想的微觀結(jié)構(gòu)。因此，如何在鈦合金中原位構(gòu)建全新的微觀結(jié)構(gòu)，以獲得兼具高強(qiáng)度和塑性的鈦合金是開發(fā)該領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)，對(duì)拓寬其在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用也至關(guān)重要。

近日，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室非晶材料團(tuán)隊(duì)的汪衛(wèi)華研究員、柯海波研究員聯(lián)合密蘇里科技大學(xué)溫海明副教授、華南理工大學(xué)楊超教授等，通過全新工藝設(shè)計(jì)，成功開發(fā)兼具高壓縮強(qiáng)度（3119 MPa）與大塑性（38.6%）的“殼-層-核”三層結(jié)構(gòu)鈦合金，克服了引入增強(qiáng)相導(dǎo)致的強(qiáng)塑性矛盾，為開發(fā)高強(qiáng)韌結(jié)構(gòu)材料提供新思路。

受三層高爾夫球結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)基于單相熔化的半固態(tài)燒結(jié)法（圖1），制備具有“殼-層-核”結(jié)構(gòu)的新型Ti_68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5鈦合金。區(qū)別于外加引入增強(qiáng)相或后處理搭建“核-殼”結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)思路，本工作通過半固態(tài)燒結(jié)調(diào)控CoTi2相的形態(tài)與分布，原位實(shí)現(xiàn)全新的三層結(jié)構(gòu)。本研究以機(jī)械合金化Ti_68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5非晶/納米晶粉末為原料。該粉末晶化析出fcc CoTi₂ (T_m=1138 ℃)相和bcc β-Ti (T_m＞1577 ℃)相。通過在CoTi2相與β-Ti相熔點(diǎn)間的特定溫度（1250 ℃）開展放電等離子燒結(jié)，在鈦合金中實(shí)現(xiàn)了殼（CoTi₂）-層（β-Ti）-核（α'馬氏體）獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)（圖2）。半固態(tài)燒結(jié)時(shí)，CoTi₂相從非晶基體析出并熔化。液態(tài)CoTi₂被β-Ti晶粒長大內(nèi)應(yīng)力和外加壓力擠壓至β-Ti邊界。冷卻時(shí)，液態(tài)CoTi₂凝固成殼，圍繞在β-Ti基體邊界。另一方面，快冷和外加壓力促使α'馬氏體從β-Ti基體沿特定取向析出，最終在β-Ti芯部區(qū)域聚集，形成馬氏體核（圖2）。全新結(jié)構(gòu)的Ti_68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5鈦合金實(shí)現(xiàn)1614 MPa壓縮屈服強(qiáng)度，3119 MPa壓縮極限強(qiáng)度和38.6%的壓縮應(yīng)變（圖3），兼具高強(qiáng)度和高塑性。研究發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)CoTi₂相殼結(jié)構(gòu)分布和α'馬氏體核阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)提高強(qiáng)度。微米晶β-Ti基體保證合金塑性，而CoTi₂相分布，α'馬氏體包含的層錯(cuò)協(xié)同誘發(fā)bcc β-Ti相的交滑移，近一步提高新結(jié)構(gòu)鈦合金的變形能力（圖4）。

基于單相熔化的半固態(tài)燒結(jié)策略，有望開發(fā)更多兼具高強(qiáng)度和大塑性的結(jié)構(gòu)鈦合金，并廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)、液壓系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)件中。相關(guān)研究成果以“Designing shell-layer-core architecture in Ti-based composites to achieve enhanced strength and plasticity”發(fā)表在International Journal of Plasticity上。該研究成果得到了廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目（2019B030302010，2022B1515120082），國家自然科學(xué)基金（U19A2085），廣東省科技創(chuàng)新工程（2021TX06C111）等多個(gè)項(xiàng)目的大力支持。