研究背景
鈦是具有優異延展性、生物相容性和耐腐蝕性的材料，廣泛應用于化學、石化、醫療和牙科等領域。與傳統的高強度合金材料相比，鈦具有較低到中等的強度，這限制了其在苛刻結構應用中的使用。雖然傳統的強化方法，如固溶體強化、沉淀硬化和工作硬化，能夠提高鈦的強度，但這些方法往往會犧牲其延展性，同時成本較高且能量消耗大。此外，傳統合金化方法還需要使用昂貴的合金元素，這進一步限制了鈦材料的廣泛應用。因此，如何在不犧牲延展性的前提下提高鈦的強度，一直是鈦材料研究中的重大挑戰。鑒于此，北京科技大學秦明禮、曲選輝、陳剛以及澳大利亞昆士蘭大學鄒進等人合作在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Lean design of a strong and ductile dual-phase titanium–oxygen alloy”的最新論文。該研究通過設計和制備一種鈦氧合金，成功實現了強度與延展性兼備的鈦材料。研究人員采用激光粉末床熔化（PBF-LB/M）技術，通過精確控制粉末的氧化物層厚度，成功在六方密堆積鈦基體中嵌入了相干的納米級面心立方鈦相。該創新方法不僅顯著提高了鈦材料的強度，同時保持了良好的延展性。實驗結果表明，Ti–0.67 wt% O合金的拉伸強度為1,119.3±29.2 MPa，延展性為23.3±1.9%。這一成果突破了傳統鈦材料強化方法的局限性，為開發高性能、成本效益高且可持續的鈦合金材料提供了新的技術路徑。
研究亮點
（1）實驗首次通過激光粉末床熔化（PBF-LB/M）技術，將相干的納米級面心立方（fcc）鈦相嵌入六方密堆積（hcp）鈦基體中，成功制備了雙相鈦氧合金（Ti–0.67 wt% O）。該合金展示了顯著的強度提升，同時保持了較高的延展性。（2）實驗通過精心設計的粉末，其中表面具有約30 nm厚的富氧層，使得氧含量大幅增加，氧化物層的厚度顯著高于傳統鈦粉末。通過PBF-LB/M技術的快速冷卻，該氧層與基體相互作用，有效地促進了fcc鈦相的形成。 （3）實驗結果表明，所制備的Ti–0.67O合金在拉伸測試中表現出優異的機械性能，最終拉伸強度為1,119.3±29.2 MPa，延展性為23.3±1.9%。這種增強的力學性能為鈦合金的應用提供了新的思路，特別是在結構材料中具有潛力。
圖文解讀
圖1.定制設計的高氧鈦粉及其熱處理前后以及打印成型試樣的微觀結構。圖3.直接打印的雙相Ti-0.67O合金的機械性能。圖4.拉伸后打印態雙相Ti-0.67O合金的微觀結構。
結論展望
總之，本文展示了一種簡化合金設計策略，通過將相干的納米級面心立方鈦相（fcc Ti）引入六方密堆積鈦基體（hcp Ti），其中層狀fcc Ti相的體積分數為23.5±4.0 vol.%，其平均寬度為79±39 nm，平均長度為1,044±346 nm。我們的方法在鈦合金開發中具有顯著的可持續性和成本效益優勢，消除了對昂貴合金元素（如釩和鉬）的需求。該方法使用低成本的氫化–去氫化鈦粉末，其成本至少比氣體噴霧法制備的鈦粉便宜50%以上。此外，打印得到的Ti–0.67O合金在高達700°C的溫度下展現出優異的熱穩定性，并在700°C時表現出強度和延展性的顯著結合。這一特性在航空航天和化學加工等廣泛應用中具有重要前景。本研究為設計經濟且可持續的高性能簡化鈦合金開辟了新的方向。Ding, W., Tao, Q., Liu, C. et al. Lean design of a strong and ductile dual-phase titanium–oxygen alloy. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02118-9
