超高強度金屬材料在結構件減重、極端承載等方面的優勢在航空航天、武器裝備等領域迫切需求，研發具有超高屈服強度（σy~2GPa）且保持可觀均勻延伸率（εu＞5%）的先進金屬材料成為當前研究熱點之一。目前，僅有少數高強鋼和復雜多主元合金能夠達到上述性能目標。相比于鋼鐵和復雜多主元合金，鈦合金在比強度、耐蝕性等方面具有明顯的優勢。盡管科研人員提出了多種鈦合金強韌化途徑，但是至今尚未成功設計出屈服強度達到2GPa且均勻延伸率εu>5%的超高強鈦合金。
針對上述挑戰，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室孫軍院士團隊的陳威副教授和張金鈺教授聯合新疆湘潤新材料科技有限公司，借助完整的工業化生產線與精心設計的熱處理工藝，在商用亞穩β鈦合金Ti-4Al-5Mo-3V-5Cr-1Fe（wt.%）中構筑了一種新型微觀結構，使得鈦合金在室溫下獲得了前所未有的強度-塑性組合：其屈服強度達到創紀錄的1929 MPa，抗拉強度達到2014MPa，同時保持了6.2%的均勻延伸率，其強度-塑性組合遠超以往報道的所有高強鈦合金。同時，該合金具有遠超高強鋼和復雜多主元合金的比強度（圖1）。
圖1研制的鈦合金具有創記錄的高強度和良好的塑性匹配
這種極致的強度-塑性性能主要得益于精心設計的“納米孿生α析出相+超細β亞晶”微觀組織結構（圖2）。其中，由ω前驅體介導的高密度納米級α析出相不僅具有顯著的強化效應，而且α相之間形成孿生對，通過共格孿晶界有效緩解半共格α/β界面的應變不相容性，進而提高塑性。同時，超細β亞晶界扮演多重功能：除了在塑性變形過程中阻礙位錯運動并協調塑性變形，在時效過程中β亞晶界促進非連續的納米α片析出。與傳統β晶界處析出的連續晶界α膜不同，這種非連續的亞晶界納米α片不僅可以作為位錯源發射位錯促進塑性變形，還可以阻礙位錯滑移以增加應變硬化率提高均勻延伸率。塑性變形過程中，高應力驅動的化學異質性（圖3）能夠與位錯產生強烈的相互作用，使位錯運動變得“遲緩”，增加位錯間交互作用的機會，這有利于提高材料的加工硬化能力，延緩頸縮發生。
圖2構筑的“納米孿生α析出相+超細β亞晶”微觀結構
圖3組織中存在的局部化學元素偏聚
本項研究不僅突破了當前鈦合金的強度極限，還驗證了“納米孿生α析出相+超細β亞晶”的組織設計策略在工業化生產中的可行性，對工業用超高強鈦合金的研發具有重要意義。同時，本研究提出的微觀結構設計策略具有普適性，可適用于鋁合金、鎂合金、鋼以及多主元復雜合金，尤其是基于增材制造制備的、包含位錯亞結構材料的高強化開發。
以上研究成果以《基于多功能亞晶界和納米析出相設計具有2GPa屈服強度的塑性鈦合金》（Designing ductile 2-GPa yielding titanium alloys via multifunctional subgrain boundaries and nanoprecipitates）”為題發表在國際綜合類著名學術期刊《先進科學》（Advanced Science）上。西安交通大學材料學院博士生趙鼎萱、碩士生俎凱、張航博士以及新疆湘潤新材料科技有限公司岳旭總工程師為論文共同第一作者，陳威副教授和張金鈺教授為共同通訊作者，孫軍院士指導了本項研究。金屬材料強度全國重點實驗室為論文第一通訊單位。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。本項目的測試表征得到西安交通大學分析測試共享中心李嬌、李超、任子君博士的大力支持。
