與常規晶粒（lì）尺度（5-10μm）的（de）鈦合金相比（bǐ），超細晶鈦合金不僅具有更高的強度與良好（hǎo）的塑性匹配，同時還具有更高的耐磨性和更佳的生（shēng）物相容性，在航空航天、生物醫學等諸多重要應用（yòng）領域中極具吸引力。然而，超細（xì）晶鈦合金不僅製備加工極為困難，且組織的熱（rè）穩定性較（jiào）差，這兩大瓶（píng）頸問題（tí）製約了超細晶鈦合（hé）金的發（fā）展與應用。

中國科學院金屬研究所楊柯團隊長期從事（shì）新型醫用金屬材料的基礎與應用（yòng）研究。近期，團隊成員任玲、王海等通過“雙相殼層包裹超細（xì）等軸晶”的顯微組織設計（jì）思想（圖1），同（tóng）時從熱力學、動（dòng）力學兩方麵提高超細晶鈦合金組織熱穩定性，並利用常規（guī）熱處理與（yǔ）熱加工（gōng）的工藝組合，實現了上述顯微組織的大尺寸製備（bèi），解決了超細晶鈦合金製備（bèi）加工難、組織穩定性差的兩（liǎng）大瓶頸問（wèn）題，獲（huò）得了性能優異和熱穩定性高的超細晶含銅鈦合金。近期，相關研究成果在《自然-通（tōng）訊》（Nature Communications）在線發表。

研究團（tuán）隊近年來一直致力（lì）於含銅鈦合金的結構與生物功能一體化研究與應用。在前期研究工作基礎上，團隊提出“共析元素合金化（huà）→淬火→熱變（biàn）形”（EQD）的超細晶含銅鈦合金的製備（bèi）策略（圖2），實（shí）現了雙相殼層包裹超細等軸晶的顯微組織的設計思想。該策略（luè）通過常規的熱加工設備實現（xiàn）了α-Ti晶粒尺寸在90-500 nm範圍內的超細晶（jīng）Ti6Al4V5Cu合金的大尺寸製備（圖2）。與（yǔ）此同時，利用熱變形過程中形（xíng）成的（de）β/Ti2Cu雙相蜂（fēng）窩殼結構包覆α晶粒（lì），顯著提高了超細等軸晶組織的熱（rè）穩定性，使材（cái）料的失（shī）穩溫度提高至973 K（0.55Tm）（圖3）。超（chāo）細晶Ti6Al4V5Cu合金的室溫（wēn）拉（lā）伸強度最高達到1.5 GPa，延伸率超過（guò）10%。在650℃和（hé）應（yīng）變速率為0.01 s-1條件下，其拉伸延伸率超過1000%（圖1），實現了超塑性變形。此外，超細晶Ti6Al4V-5Cu合金在高溫拉伸的熱力耦合條件下未發生晶粒的粗化長大（圖4）。該EQD策略不（bú）僅實現了TiCu、TiZrCu等其它鈦合金的高性能（néng）、高熱穩定性超細晶組織的製備，並已經拓展至包括鋼鐵材料在內的其它合（hé）金體係中（zhōng），為超細晶金屬（shǔ）材料的製（zhì）備提供了新途徑，對超細晶金屬材料的設計和研究具有重要意義。

以上工作由金屬所楊柯、任玲團隊，澳大利亞皇家墨爾本理工大學邱冬團隊，金屬所沈陽材料科學（xué）國家研究中心陳星秋團隊等合作完（wán）成。金屬所（suǒ）王海（hǎi）助理研究員為第一作者，金屬所任玲項目研（yán）究員、澳大利亞皇家墨爾本理工大學邱冬教授為（wéi）通訊作者。

該研究得到了國家重點研發計劃（huá）項目、國家自然（rán）科學基（jī）金重點與麵上項目、中國科學院國際合作重點項目、遼（liáo）寧省“興遼英（yīng）才計劃”等資助。

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https://www.nature.com/articles/s41467-022-29782-8

圖1 雙相蜂窩殼結構納（nà）米（mǐ）晶Ti6Al4V5Cu合金的組（zǔ）織設計與（yǔ）性能，（a）組織設計示意（yì）圖；（b）失穩溫度-晶粒尺（chǐ）寸圖，顯示材料具有良好的組織熱穩定性；（c）室溫（wēn）強度-延伸率圖，相較於其（qí）它鈦合金，材料（liào）具有良好的強塑性匹配（pèi）；（d）650℃/0.01s-1條件下的拉伸應力-應變（biàn）曲線，材（cái）料的延伸率超過1000%。

圖2 雙相蜂（fēng）窩殼結構（gòu）納米（mǐ）晶Ti6Al4V5Cu合金的組織表（biǎo）征與形成機製分析，（a）HAADF成像模式觀察；（b）能譜麵掃描觀察；（c）雙相蜂窩（wō）殼結構形成機製示意圖；（d）XRD衍（yǎn）射圖譜；（e）β·cos(θ)-sin(θ)圖，添加Cu使淬火後合金內的微觀應變增大；（f）添加Cu細化了馬氏體板條；（g）添加Cu有利於合金在（zài）熱變形過（guò）程中發（fā）生（shēng）柱麵滑移而形成等軸晶結構。

圖3 雙相蜂窩殼（ké）結構納米晶Ti6Al4V5Cu合金的組織熱穩定性分析，（a）在不同溫度保溫1 小時後的（de）EBSD組織；（b）高分辨TEM觀察，表明α、β、Ti2Cu相之間具有特定的晶體學取向關係（xì）；（c）基於第一性原理計算材（cái）料相界能的模型；（d）EBSD極圖，表明α、β、Ti2Cu相在700℃保溫1小時後仍然可（kě）以保持初始的取向關（guān）係；（e）Ti6Al4V5Cu合金初（chū）始態組織的（de）3DAP分析；（f）Ti6Al4V5Cu合金在650℃保溫1 小時後的3DAP分析。

圖4 原位SEM觀察在650℃拉伸過程中的演變，（a）初始態SEM組織；（b）局部（bù）放大顯示材料具（jù）有蜂窩（wō）殼結構；（c）ε=0.4時（shí）的SEM組（zǔ）織；（d）局部放大顯示相界（jiè）周（zhōu）圍的FIB刻痕發（fā）生了偏折；（e）基於FIB刻痕節點位移計算材料內的微觀應變分布；（e）相界麵滑移對材料的超塑性變形發揮了重（chóng）要的作用。