双相钛合金（α+β）作为最重要的高比强度结构材料之一，可通过调控其主要组成相——HCP-α相来获得广泛的力学性能。然而，高强度双相钛合金常常面临加工硬化率低（WHR, Θ）的问题，从而导致有限的均匀延伸率（εu）。这主要源于以下两个方面：i）HCP-α相中的<c+a>位错往往由于过高的临界分切应力（CRSS）而难以有效激活，这造成了其塑性不足的本征限制。ii）具有半共格相界的二次强化αs析出相会导致应变不相容性，塑性变形时引发应力集中并降低塑性。更为重要的是，由上述两个原因引起的双相钛合金强度-塑性倒置问题，会因间隙原子（如N和O等）的“毒化效应”（即显著恶化拉伸塑性）而被进一步放大。这是因为强烈的间隙原子-位错相互作用加剧了上述两个缺点，即：增加<c+a>位错的CRSS抑制其启动，以及强化αs相以加剧αs/β相界处的应变不相容性。迄今为止，已开展大量的工作来缓解在双相钛合金中间隙原子的“毒化效应”，例如间隙原子（N和O）掺杂的Ti-6Al-4V和Ti-Fe合金，但它们仍表现出相当有限的屈服强度（σy < 1300 MPa）和均匀延伸率（εu < 7%）。在钛合金常用的间隙元素中，尽管N原子具有最强的间隙强化能力，但其对双相钛合金强韧性影响的研究尚不充分。如何有效利用N元素卓越的强化能力同时有效克服其脆化效应，仍然是开发高性能结构钛合金面临的重要挑战。
针对上述问题，西安交大金属材料强度全国重点实验室孙军院士和张金钰教授团队证明了间隙N原子-位错交互的不利作用可以被逆转，从而协同提升双相钛合金的强度和塑性。该策略的原理在于：间隙原子-位错相互作用不仅促进形成溶质偏聚的亚结构（如低角度晶界，LAGBs）以实现强化，还能够在位错核心处偏聚以调控基体的相变行为。因此，团队通过简单的循环热轧与短时固溶工艺，在高温下控制N原子-位错交互作用，以调控Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al-0.4N（wt.%）双相合金的微观结构。具体而言：对于初生α（αp）相，N原子-位错相互作用不仅在热轧过程中促进波状滑移并产生足够的位错，而且在短时固溶过程中阻止位错湮灭，这有助于形成富集N原子的LAGBs。对于高温β相，这种相互作用将刃位错的平面应力场转变为非平面应力场，从而在淬火过程中形成间隙N强化的共格α纳米孪晶马氏体（α-NTNMs）。基于此，构筑了一种异质层状结构（图1a），该结构包含：由富集N原子的LAGBs构成的层状αp晶粒，以及由间隙N原子强化的α-NTNMs组成的β转变结构。这种异质层状结构将合金的流变应力提升至足以激活<c+a>位错的CRSS水平，导致富集N原子的LAGBs和α-NTNMs共格界面成为丰富的位错源，促进c轴变形和波状滑移；同时富集N原子的LAGBs与共格α-NTNMs界面可允许位错穿过以缓解应力集中。这种利用N原子-位错交互作用设计的层状结构，赋予间隙N掺杂的Ti-Cr-Zr-Al双相钛合金优异的室温力学性能：超高屈服/抗拉强度~1532/1869 MPa和大的均匀延伸率εu ~10.2%，同时具有高加工硬化能力（σUTS - σy）~337 MPa，超过了目前报道的所有钛合金（图1b-c）。团队提出的间隙原子-位错交互作用的双重功能以构建独特微观结构，可在间隙强化型钛合金中实现超高强度和大拉伸塑性，并有望拓展至其他高性能合金材料。
图1. (a) Ti-Cr-Zr-Al-0.4N (wt.%) 合金的异质片层结构。(b) 不同组织结构的Ti-Cr-Zr-Al和氮掺杂Ti-Cr-Zr-Al合金室温拉伸应力-应变曲线。(c) 间隙氮强化的异质片层结构Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金的室温力学性能与目前报道的高性能钛合金（包括β-Ti、(α+β)-Ti、N/O强化的（α+β）-Ti、α-Ti和N强化的钛合金）的抗拉强度、均匀延伸率对比。
该研究成果以“Harnessing Bifunctional Nitrogen-Dislocation Interactions for A Record Ultra-strong-and-ductile Duplex Titanium Alloy” （《利用双功能氮-位错交互作用实现创纪录的超高强度延性双相钛合金》）为题在线发表于《Advanced Science》（《先进科学》）上。西安交通大学材料学院博士生张崇乐和李轩哲分别为论文的第一和第二作者，孙军院士和张金钰教授为论文共同通讯作者，参与该工作的还包括刘刚教授、李苏植教授。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室是该工作的唯一通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金、陕西省科技创新团队项目、中央高校基本科研业务费等项目资助。表征及测试工作得到西安交通大学分析测试共享中心和材料学院实验技术中心的大力支持。
论文链接地址: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202502349
