纳米级局部有序氧结构设计实现大尺寸亚稳钛合金强度-塑性-疲劳抗性三重协同提升

针对钛合金中氧偏聚导致性能下降的难题，研究人员通过粉末冶金短流程工艺在Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金中构建了纳米级局部有序氧(LRO-O)结构。该结构通过促进型位错激活和改变滑移模式，使材料同时获得1.7 GPa高强度和7.9%延伸率，疲劳强度达1058.3 MPa，突破了传统高氧钛合金的性能瓶颈，为航空航天大型构件提供了可规模化应用的解决方案。

　　

在航空航天领域，钛合金因其优异的比强度和耐腐蚀性成为关键结构材料，但长期以来存在"强度-塑性"此消彼长的困境。更棘手的是，传统高氧钛合金中氧原子倾向于在晶界偏聚，引发界面脆化和早期疲劳失效，这一"氧中毒"现象严重制约了材料性能提升。尽管通过热机械加工和热处理可以优化微观组织，但当屈服强度超过1.2 GPa时，材料往往丧失塑性且疲劳性能急剧下降，这成为制约高性能钛合金工程应用的阿喀琉斯之踵。

北京科技大学新材料技术研究院的研究团队另辟蹊径，在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地提出通过调控氧原子分布状态而非单纯控制氧含量的新思路。他们采用粉末冶金短流程工艺（真空烧结+多段锻造+棒材轧制），在商用Ti-5553亚稳β钛合金中引入0.36 wt%氧原子，成功构建了兼具短程(SRO-O)和中程有序(MRO-O)特征的纳米级局部有序氧结构。这种独特的LRO-O结构像"原子级缓冲带"般均匀分散在α相中，彻底避免了传统高氧钛合金中致命的氧偏聚问题。

研究团队运用了多项关键技术：通过原子探针断层扫描(APT)和同步辐射X射线衍射(SXRD)证实LRO-O结构的存在；采用原位电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)拉伸实验解析变形机制；结合高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)和几何相位分析(GPA)揭示氧原子与位错的交互作用；通过10⁷次循环高周疲劳测试评估材料耐久性。

微观结构及内部LRO-O结构特征

APT三维重构显示氧原子在α相中呈纳米级有序分布，浓度梯度分析证实其在α_p相形成1.6 nm的MRO-O结构，在α_s相形成0.7 nm的SRO-O结构。HAADF-STEM直接观察到氧原子占据HCP晶格四面体间隙位点，SAED图谱中出现超晶格衍射斑点，这与传统钛合金中氧的随机分布形成鲜明对比。

拉伸与疲劳性能突破

工程应力-应变曲线呈现独特的双屈服现象，真应力-应变硬化率曲线显示持续的加工硬化能力。0.36O合金的屈服强度(1.7 GPa)与断裂延伸率(7.9%)组合超越绝大多数高强钛合金，其疲劳强度(1058.3 MPa)更是达到同系合金的1.8倍。断口分析显示裂纹扩展路径曲折，呈现韧脆混合断裂特征，表明LRO-O结构有效阻碍了裂纹扩展。

原位变形机制解析

原位EBSD发现应变达10%时，几何必须位错(GND)密度升至1.87×10¹⁵ m^-2，但晶粒取向差(KAM)变化轻微，证实变形高度均匀。更关键的是，TEM首次在2%应变时就观察到型位错（Burgers矢量[0001]）的激活——这种在HCP结构中通常难以形成的位错类型，通过LRO-O结构降低了其形核能垒。随着应变增加，型位错会解离为型和型组分，提供更多滑移系以适应塑性变形。

疲劳抗性机理创新

疲劳后的样品中观察到型位错与纳米孪晶共存现象。LRO-O结构通过两种途径提升疲劳性能：一方面促进型位错与型位错交互形成孪晶（"极机制"），消耗应变能；另一方面迫使位错在SRO-O/MRO-O域间发生交滑移，使裂纹扩展路径呈"之字形"分叉。GPA应力场分析显示，氧原子在位错核心区发生应力诱导重排，从八面体间隙迁移至四面体位，这种动态调幅显著缓解了应力集中。

这项研究颠覆了传统高氧钛合金的设计范式，证明通过精确调控氧原子排列方式而非单纯降低氧含量，完全可以实现强度-塑性-疲劳抗性的"三重奏"。所开发的粉末冶金短流程工艺可制备直径16 mm、长度超6米的棒材，具备直接产业化的潜力。更深远的意义在于，LRO-O结构的设计理念可推广至镍基高温合金、高熵合金等材料体系，为发展下一代高性能结构材料提供了全新思路。正如论文通讯作者Yongqing Zhao教授指出："这项工作解开了困扰钛合金领域半个世纪的氧敏感死结，让曾经的'性能毒药'蜕变为'强化良方'。"