呂堅院士&徐舜教授團隊《Nature》子刊：強化–亞穩態協同實現增材制造鈦合金極高加工硬化！

先進鈦（Ti）合金因其卓越的比強度而備受青睞，已成為航空航天和 3C（計算機、通信與消費電子）等高技術領域不可或缺的關鍵材料，在這些領域中，輕量化與耐久性直接決定著技術進步的水平。增材制造（AM）作為一種變革性制造范式，應運而生，使得從消費級原型到工業規模量產，均能夠以近凈成形的精度快速制備幾何形狀高度復雜的鈦合金構件。然而，一個關鍵瓶頸依然存在：當前最先進的AM 鈦合金通常通過犧牲塑性來獲得超高屈服強度（YS > 1 GPa），其均勻延伸率顯著降低（UE < 5%），且加工硬化能力不足（θ< 2000 MPa），這嚴重限制了其在承載應用中的損傷容限和結構可靠性。

提高鈦合金屈服強度通常不可避免地依賴于通過固溶強化、第二相（如 α 馬氏體）引入以及晶粒細化等內在組織特征來阻礙位錯運動。然而，這類強化方式在變形過程中往往由于位錯的大量累積與纏結而誘發局部應力集中。盡管加工硬化可以通過重新分配應變集中來在一定程度上緩解這一問題，但傳統的加工硬化增強手段（例如相變誘發塑性，TRIP）通常會以犧牲屈服強度為代價。此外，在缺乏足夠“硬化儲備”的情況下，將高屈服強度與過高的加工硬化能力相結合同樣是不理想的；相關嘗試往往導致材料在屈服后不久即發生頸縮或斷裂，從而表現出較低的均勻延伸率，例如增材制造馬氏體時效鋼中的早期失效現象。這些現象共同表明，鈦合金長期受困于“強度–加工硬化–延展性”之間的固有悖論。

在增材制造合金中，這一挑戰進一步加劇。AM 過程中的快速非平衡凝固通常促使形成細小的顯微組織和較高的位錯密度，這些特征雖有利于強度提升，卻嚴重削弱了材料的加工硬化能力。這種加工硬化能力的不足對于AM 合金的損傷容限尤為不利，因為成形態AM 構件不可避免地包含隨機分布的工藝缺陷，在外加載荷作用下極易誘發早期損傷與斷裂。盡管通過引入β 穩定化元素（如 Fe、Cr 或 Ni，通常為少量添加）進行亞穩態設計已被證明可在一定程度上提升加工硬化能力和均勻延伸率，但在AM 鈦合金中如何同時維持較高的屈服強度仍缺乏清晰認識。此外，穩定化元素的最優選擇以及難以區分的顯微組織演化過程（例如成形態α′馬氏體與 TRIP 誘發 α′馬氏體在晶體學結構上的高度相似性）進一步掩蓋了性能提升的本質機制。鑒于傳統亞穩態鈦合金中普遍存在不完全相變（不可避免地保留殘余基體），這一不確定性引出了一個關鍵科學問題：是否能夠通過一種協同設計策略，在最大化強化效應的同時，實現完整的相變過程，從而突破上述限制。

在此，香港城市大學呂堅院士團隊提出了一種強化–亞穩態協同（strengthening–metastability synergy）設計范式，通過精確調控高效穩定化元素，在鈦合金中解鎖前所未有的綜合性能。增材制造過程中快速凝固所引入的成分非均勻性，使得5 wt.% CoCrNi 合金化的Ti-6Al-4V 表現出相較于其他穩定化元素更為突出的強化效率。基于這一設計，我們實現了以下三點關鍵目標：1）形成具有良好延展性的亞穩β 相（而非穩定β 相）；2）在兼顧亞穩態能力的前提下，實現更高的固溶強化效率；3）在變形過程中觸發完整的兩步馬氏體相變，生成互孿晶結構，從而維持持續而漸進的加工硬化能力。

近期相關研究結果以Harnessing strengthening-metastability synergy for extreme work hardening in additively manufactured titanium alloys為題在線發表與Nature Communications上。北京理工大學材料學院徐舜教授為論文共同通訊，香港城市大學陳緒梁博士，謝友能博士和香港科技大學張天隆助理教授為論文共同第一作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-67683-8

核心思路是什么？

研究團隊通過系統比較不同 β 穩定化元素的穩定能力與固溶強化效率，發現 Co–Cr–Ni 體系在單位穩定能力下具有異常突出的強化效率。基于此，利用LPBF 原位混粉制備了Ti-6Al-4V + 5 wt.% CoCrNi 合金，并充分利用AM 非平衡凝固引入的成分非均勻性，構建出高度異質的亞穩組織，可實現完整、連續的兩步 TRIP。

結果令人矚目：屈服強度≈1030 MPa、最大加工硬化率5.7GPa、均勻延伸率≈9.3%，為基體合金的3 倍。

關鍵洞察：穩定能力≠強化效率

這項工作從一個非常“材料學本源”的角度重新審視問題：一種元素穩定 β 相的能力（Mo 當量）并不等價于它單位含量下提供的固溶強化能力，作者引入了一個“雙參數設計框架”：

• 一軸：β穩定能力（[Mo]eq）

• 另一軸：固溶強化效率（Bi）

結果發現一個非常有意思的區域——Co–Cr–Ni 體系在“穩定能力× 強化效率”這兩個維度上，處于極其罕見的最優組合區間。

關鍵機制：完整、連續的兩步TRIP

利用AM非平衡凝固保留更低穩定性的亞穩β相，不同于傳統亞穩鈦合金中常見的不完全相變（β→ β/α′），該合金在變形過程中觸發了完整且連續的兩步馬氏體相變路徑：

• 早期變形中，亞穩 β 相轉變為 α′馬氏體，迅速提升加工硬化能力；

• 隨著應變增加，殘余 β 相進一步完全轉變，并與早期生成的 α′形成互孿晶結構。

這種層級化的 α′/α′孿晶網絡一方面通過動態Hall–Petch 效應持續抑制位錯滑移，另一方面又能有效緩解界面應力集中，使加工硬化在高應變階段仍得以維持。這使得加工硬化不是“一下子爆發”，而是被“分階段釋放”。

這項工作的真正意義

這項研究的價值，并不僅僅在于“性能刷新紀錄”，而在于它提供了一種可遷移、可推廣的設計范式：

• 不再簡單追求 “ 更強的亞穩態 ”

• 而是 精確耦合：強化效率 × 相變路徑 × AM 非平衡特征

• 讓 TRIP 不再 “ 吞噬強度 ” ，而是與高屈服強度共存

這種思路不僅適用于鈦合金，也為：超高強鋼、中/高熵合金、其他加工硬化受限體系提供了一個全新的“解題思路”

圖 1. Ti-6Al-4V + 5 wt.% CoCrNi 的設計理念。(a) 添加系數與固溶強化系數之間的關系。相關數據基于[Mo]eq方程及固溶強化效應計算得到。(b) 計算得到的固溶強化效應隨 β 穩定化能力變化的關系。

圖 2. Ti-6Al-4V 與Ti-6Al-4V + 5% CoCrNi 合金的力學性能。(a)拉伸工程應變–應力曲線及（內插圖）真實應變–應力曲線。(b)加工硬化率曲線。(c) 不同鈦合金體系中屈服強度（YS）與 (UTS–YS)×UE 的對比。(d) 不同鈦合金體系中均勻延伸率（UE）與極限抗拉強度（UTS）的對比。(e) 考慮材料密度后的均勻延伸率（UE）與比極限強度（specific UTS）的對比。同時將本研究合金的力學性能與其他成形態（as-AM）合金進行比較。

圖 3. 打印態（as-printed）Ti-6Al-4V + 5% CoCrNi 合金的顯微組織。(a) 混合粉末與成形態樣品的 XRD 圖譜。(b) 沿掃描方向（SD）和成形方向（BD）的三維背散射電子（BSE）圖像。(c) 沿 BD 方向的電子背散射衍射（EBSD）相分布及原始 β 晶界映射。(d) (b) 中標示區域的高倍 BSE 圖像。(e) 不同區域中的CoCrNi 含量統計，至少選取五個位置并給出標準偏差。(f)亞穩 β 相的形貌及其化學成分的線掃描結果（g）。

圖 4. 顯微組織表征。(a) α′相典型的透射電子顯微鏡（TEM）形貌及其能量色散 X 射線譜（EDS）化學成分分布。(b) 穩定 β 相的BSE 與 TEM 形貌及其化學成分分布。

圖 5. 不同拉伸應變下的準原位EBSD結果。(a) 不同工程應變下典型富 β 區域的相分布圖（疊加帶襯度）。藍色區域對應 bcc 相，紅色區域對應 hcp 相。(b) 不同[Mo]eq相穩定性條件下局部區域中的β 相體積分數。(c) 基于 β 相穩定性 [Mo]eq與變形應變的 TRIP 行為總結，統計結果來自不同應變條件下 EBSD 與 TEM 表征的三十余個局部區域（典型TEM 結果見圖 S20）。不同 TRIP 區域之間的分界線根據屈服應變（左邊界）、最小測得的 [Mo]eq（下邊界）以及重疊區域的關鍵中點（上邊界與對角邊界）進行近似繪制。

圖 6. 變形機制的TEM 分析。(a–b) 應變 2.5% 時的明場與暗場 TEM 圖像。(c) 圖(a) 對應的選區電子衍射（SAED）花樣。(d) 顯示 α′/β共格界面的高分辨 TEM（HRTEM）圖像（插圖為 FFT 圖像）。(e) 應變 6.0% 時的明場TEM 圖像，插圖 SAED 花樣表明 α′變體（v1與 v2）之間存在互孿晶關系。(f) 低倍暗場 TEM 圖像及插入的高分辨 TEM 圖像。(g) 顯示孿晶界的高分辨TEM 圖像。(h) 孿晶界處的位錯分布。(i–j) 斷裂后的暗場與高分辨 TEM 圖像。(k–l) 孿晶界處的位錯累積情況。

圖 7. 變形機制示意圖。

主要作者介紹

呂堅院士（通訊作者）：法國國家技術科學院（NATF）院士、香港工程院院士、香港材料研究會理事長（HKMRS）、香港城市大學機械工程系講座教授、工學院院長、國家貴金屬材料工程研究中心香港分中心主任、先進結構材料中心主任。研究方向涉及先進結構與功能納米材料的制備和力學性能，結構與功能材料的設計及增材制造，圖靈及高熵合金催化劑在電解水制綠氫及燃料電池與污水處理，超高靈敏度表面增強拉曼光譜（SERS）及在心腦血管疾病早期快速診斷，環保，食品安全等領域的應用。西安交通大學、東北大學、北京科技大學、南昌大學名譽教授，西北工業大學、上海交通大學和西南交通大學顧問教授，中科院知名學者團隊成員，2011年被法國國家技術科學院（NATF）選為院士，是該院近300位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統任命獲法國國家榮譽騎士勛章及法國國家榮譽軍團騎士勛章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎。2025年獲選美國國家發明家科學院（NAI）院士。已取得89項歐、美（53項）、中發明專利授權，在本領域頂尖雜志Nature（封面文章），Science，Nature Materials，Nature Chemistry，Nature Water，Science Advances，Nature Communication，PNAS，Materials Today，Advanced Materials, JACS, Angew. Chem. JMPS, Acta Materialia 等專業期刊上發表論文650余篇，引用54000余次，H因子105。

個人主頁：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

徐舜教授（共同通訊作者），北京理工大學特立青年學者，教授，博導，入選國家級青年人才。博士畢業于法國洛林大學，在美國內布拉斯加林肯大學完成博士后，一直圍繞高性能鈦合金，通過EBSD/TEM等微觀表征，結合DFT/MD/CPFEM/VPSC等跨尺度計算，開展新型鈦合金設計與增材制造、變形行為與強韌化、相變與孿生機理等方面研究，以第一/通訊作者（含共同）發表Nature Communications (1)、Acta Mater (8)、International Journal of Plasticity (2) 等論文30余篇，研發的新型鈦合金實現了成果轉化，支撐新一代裝備的發展。

陳緒梁博士（共同第一作者）：香港城市大學博士后，2022年獲香港城市大學博士學位，主要研究方向：高性能金屬（鈦合金，高熵合金，鋼等）的激光增材制造及其強韌化，表面超疏水抗凍等仿生界面等。以第一作者/共一/通訊發表Nature Communications, Materials Science and Engineering: R: Reports, Journal of Materials Processing Technology等多篇國際高水平期刊論文。

謝友能博士（共同第一作者）：香港城市大學深圳研究院博士后，合作導師為呂堅院士。主要從事高性能鈦合金的開發與應用，主要針對鈦合金結構及力學性能研究。在Nature Communications等期刊發表學術論文多篇。

張天隆教授（共同第一作者）：張天隆教授目前任職于香港科技大學機械及航空航天工程學系（MAE, HKUST），擔任助理教授（Tenure Track Assistant Professor）、研究員、博士生導師，獨立PI。張天隆教授近年來致力于先進金屬材料的設計和微觀組織調控，并在材料計算模擬-實驗表征等多尺度多手段交叉學科領域具有廣泛的研究興趣和經驗。主要研究方向包括基于增材制造(3D打印)的先進高性能合金設計、極端環境下材料的微觀組織演化和變形行為、和相變路徑的多尺度原位表征-相場動力學研究等。相關科研成果發表于Science、Nature Communications、PNAS、Acta Materialia等國際權威學術期刊，申請多項相關專利和軟件著作權，同時先后擔任多個國際期刊與雜志的編委、審稿人。張教授獲得了多個國家級和省市級的研究資助，并獲得香港研資局杰出青年學者計劃、中國科協青年人才托舉計劃的支持。研究成果已獲得超過4,000次引用，H指數為23，在國際國內會議做多次大會、主旨和邀請報告

來源：材料科學與工程公眾號。感謝論文作者團隊支持。

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