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钛合金具有低密度、高比强度、优异耐蚀性、良好生物相容性以及无磁等特点，在航空航天、海洋工程、生物医用等领域得到了广泛应用。钛合金按照组织结构通常可分为密排六方（HCP）α型钛合金、体心立方（BCC）β型钛合金和α+β（HCP+BCC）型钛合金三种类型，尽管α+β型钛合金综合性能较好，但通常依赖钒（V）、铝（Al）、钼（Mo）、铬（Cr）等金属相稳定元素合金化而成，成本高，能耗大，消耗战略资源。
3D打印技术参考注意到，北京科技大学曲选辉、秦明礼、陈刚教授团队与合作者近日提出了高强韧钛合金的素化设计新策略，创造出一种新型组织结构——密排六方（HCP）+面心立方（FCC）的双相钛合金。
https://www.nature.com/articles/s41563-025-02118-9
特别是，该新型钛合金中并未使用钒（V）、铝（Al）、钼（Mo）、铬（Cr）等金属合金化元素，仅使用了通常认为对钛合金塑性“有害”的氧元素进行组织调控，使合金内部生成FCC相。该新型钛合金是采用3D打印工艺制备，以团队自主发明的低成本流化改性纯钛粉（成本较传统雾化钛粉降低50%以上）为原料。
3D打印打印双相Ti–0.67O 的力学性能
由于钛活泼易氧化，在钛粉表面形成了一层氧化膜，在3D打印过程中冷却速度极快，氧化膜内部的氧原子无法及时扩散，造成氧原子局部富集，结合打印过程中产生的极大热应力协同诱导了HCP→FCC的相变反应。逐层打印后，大量纳米尺度的FCC相均匀弥散分布于HCP基体中，从而制备出了HCP+FCC双相钛合金，并且可通过调控钛粉颗粒表面氧化膜厚度、氧含量以及打印工艺，有效调控FCC相的含量、尺寸和分布状态，实现氧元素在HCP和FCC两相中的合理分配，最终获得优异的力学性能。
钛粉表面氧化膜及HCP+FCC双相钛合金显微组织表征
研究发现，该合金中FCC相含量可超过20%，均匀弥散分布于HCP基体中，且两相界面可呈共格结构。应力条件下，纳米尺度FCC相内部会产生堆垛层错以及应力诱导孪晶（TWIP）效应，加上其第二相弥散和氧原子固溶的协同强化作用，使得合金强度得到大幅提升的同时，仍保持了优异的塑性，其室温抗拉强度为1119.3MPa，屈服强度为1003.5MPa，断裂延伸率仍达到23.3%，强度与应用最为广泛的Ti-6Al-4V合金（α+β型钛合金）相当，但其塑性几乎是后者的2倍，展现出优异的强韧性。
HCP+FCC双相钛合金的力学性能及强韧化机制分析
总的来说，该研究创造出一种新型的HCP+FCC双相钛合金，丰富了钛合金材料的家族。特别是，不使用稀有或昂贵金属合金元素，只使用微量的氧元素进行组织性能调控，不仅颠覆了“氧不利于钛塑性”的传统认知，实现了高性能钛合金的素化设计，而且打破了强度与塑性的制衡关系，所制备HCP+FCC双相钛合金展现出优异的强韧性。该工作为高性能金属材料的素化设计提供了新思路，不仅具有极大的经济效益，而且有利于资源环境的可持续发展。
该研究成果以“Lean design of a strong and ductile dual-phase titanium-oxygen alloy”为题发表在《Nature Materials》期刊。北科大为该论文的第一通讯单位，曲选辉、秦明礼、陈刚教授，以及澳大利亚昆士兰大学Jin Zou教授为共同通讯作者，博士生丁旺旺、陶麒鹦、刘畅为共同第一作者。日本东北大学、辽宁材料实验室、韩国延世大学、美国斯坦福大学、澳大利亚昆士兰大学、新西兰奥克兰大学、宁波钛钽新材料技术有限公司为该论文的合作单位。
注：本文来自北京科技大学，已联系论文作者授权。
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