在航天航空，汽車能源等領(lǐng)域，輕質(zhì)高強(qiáng)的鈦合金一直是金屬材料構(gòu)件的主流選擇之一。憑借著其優(yōu)異的耐腐蝕性能，鈦合金在海洋、生物等領(lǐng)域同樣大放異彩。但鈦合金的優(yōu)化經(jīng)常要面臨著在強(qiáng)度與塑性之間做選擇，例如，目前已知可以通過(guò)O、N等間隙原子通過(guò)間隙強(qiáng)化提高鈦合金的強(qiáng)度，但其塑性卻會(huì)大幅度降低。

2025年7月24日國(guó)際期刊《Materials Research Letters》上在線發(fā)表了一篇題為“Microalloying as a key strategy to maximize the strength–ductility combination in dilute titanium alloys”的研究論文，報(bào)道了通過(guò)少量錸（Re）進(jìn)行微合金化，從而激活納米β相的析出強(qiáng)化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了2.8倍的屈服強(qiáng)度提升，并且依然保持有34%的高延伸率。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2536654

【核心內(nèi)容】

在該項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)沒(méi)有選擇傳統(tǒng)鈦合金的“β基+α析出”的優(yōu)化策略，而是創(chuàng)新性地提出在α-Ti中誘導(dǎo)出富Re的納米β析出相，并通過(guò)系統(tǒng)表征揭示了其對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與應(yīng)變硬化行為的調(diào)控作用。結(jié)論顯示這些細(xì)小的β析出物以納米級(jí)尺寸彌散分布于α晶粒內(nèi)部，形成了穩(wěn)定的雙相組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)因?yàn)镽e元素其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，使得析出的β相具有極低的形成焓、優(yōu)異的熱力學(xué)穩(wěn)定性以及高剪切模量和高GSFE能壘，從而在變形過(guò)程中顯著提升了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難度，這類納米β析出物不僅提供強(qiáng)化效應(yīng)，還有效抑制了位錯(cuò)滑移的均勻化發(fā)展，增強(qiáng)了應(yīng)變硬化能力，使得合金能夠維持高的塑性水平。

圖形摘要

【研究方法】

研究團(tuán)隊(duì)以純Ti為基體，系統(tǒng)研究了0.1至10 wt.% Re含量的Ti–Re合金，通過(guò)熔煉、熱處理（950 ℃均勻化1 h）、冷軋與820 ℃再結(jié)晶處理10 min等步驟制備微觀結(jié)構(gòu)均一的等軸再結(jié)晶組織，熱處理冷卻方式均為水冷，并結(jié)合DFT計(jì)算對(duì)β相的穩(wěn)定性與力學(xué)性能進(jìn)行原子尺度解析。

合金的制備過(guò)程及其最終淬火前在熱力學(xué)穩(wěn)定相圖上的位置

【研究成果】

① 實(shí)現(xiàn)2.8倍屈服強(qiáng)度提升，延展性依然高達(dá)34%

拉伸測(cè)試結(jié)果顯示，Ti–0.5Re合金的屈服強(qiáng)度高達(dá)439 MPa（對(duì)比純Ti為156 MPa），同時(shí)延伸率保持在34%。在超低合金元素含量條件下實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)高延展的協(xié)同提升，在以往研究中較為罕見(jiàn)。

主要力學(xué)性能隨Re含量的變化

② 納米級(jí)β相析出+顯著晶粒細(xì)化帶來(lái)協(xié)同強(qiáng)化機(jī)制

通過(guò)XRD、EBSD與TEM分析研究揭示，在Re添加量為0.1–0.5 wt.%區(qū)間時(shí)，材料內(nèi)部形成兩類β相：一類為晶粒內(nèi)部的細(xì)長(zhǎng)條狀納米β析出物，另一類為晶界上的楔形β粒子，其結(jié)合晶粒尺寸的急劇減小（從80µm降至4µm），實(shí)現(xiàn)了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈抑制與應(yīng)變硬化能力的保持。

純Ti和Ti-Re合金在再結(jié)晶狀態(tài)的XRD結(jié)果

再結(jié)晶態(tài)純Ti與Ti-Re合金的EBSD雙模分析（IPF-IQ）

Ti–Re合金在不同Re含量下的微觀結(jié)構(gòu)演化

③ DFT理論計(jì)算揭示Re在β-Ti中具備超強(qiáng)穩(wěn)定性與優(yōu)異彈性性能

通過(guò)第一性原理計(jì)算，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Ti–Re體系的β相形成焓遠(yuǎn)低于Ti–Fe、Ti–Nb等常規(guī)β穩(wěn)定劑合金，同時(shí)具備最高的楊氏模量、剪切模量與最大堆垛層錯(cuò)能（GSFE），意味著在極低含量下即可形成熱力學(xué)穩(wěn)定、抗塑性變形能力強(qiáng)的強(qiáng)化相。

不同Ti–TM β合金的GSFE曲線

【總結(jié)與展望】

該研究以微合金化設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，首次提出利用Re這一強(qiáng)β穩(wěn)定劑在α–Ti基體中形成納米β析出相的“逆向析出強(qiáng)化”機(jī)制，為低成本、高性能鈦合金的設(shè)計(jì)開辟了新路徑，這種β析出的優(yōu)化策略可以認(rèn)為是一種新的鈦合金基于塑性保持的強(qiáng)化機(jī)制。