河南科大&电子科大&伊迪斯科文大学《Acta Materialia》：实现β钛合金强塑性同步提升！

研究背景

钛合金具有比强度高、耐腐蚀性和生物相容性好等优异特性，是理想的生物医用金属材料。以无毒性元素合金化并具有更低弹性模量的β型钛合金已成为新一代永久性植入体的重点发展方向。目前已开发的生物医用亚稳β型钛合金主要通过应力诱导马氏体相变（TRIP效应）或应力诱导机械孪生（TWIP效应）提高延展性和极限抗拉强度，但通常表现出相对较低的屈服强度（低于 400MPa），这限制了其在永久性植入体中的适用性，因为屈服强度决定了材料抵抗塑性变形的能力及其在使用中的可靠性。添加β稳定元素能够通过抑制相变提高屈服强度，但同时伴随着塑性的下降，致使β钛合金屈服强度与塑性之间呈现严重倒置关系。因此如何同时提高β钛合金屈服强度和延展性已成为开发新一代永久性植入体面临的核心挑战。

全文概述

针对生物医用β-Ti合金屈服强度低且易陷入强度–延展性互斥的瓶颈难题，本研究提出氧驱动的双重纳米结构调控策略：在Ti-35Nb-9Zr-7Sn合金中引入0.3 wt.%间隙氧，氧在晶界处富集并形成约20 nm厚的FCC富氧纳米层，同时在晶内诱导生成局部化学有序（LCO）结构；通过这一结构调控方式，合金在不同处理状态下均实现强韧协同，其中均质化态屈服强度由531±3 MPa提升至637±3 MPa，同时断后延伸率由37±1%提升至41±1%，冷轧态屈服强度进一步提升至1121±3 MPa并仍保持延展性提高，而杨氏模量始终稳定在30–33 GPa、与人体皮质骨高度匹配。结合球差校正透射电镜、三维原子探针与第一性原理计算等多种表征手段，本研究系统揭示了氧驱动的晶内与晶界强韧化机制：晶内LCO结构能够促使位错滑移由平面型向波状型转变，促进了双交叉滑移和位错增殖，显著提升应变硬化能力。同时，间隙氧驱动的FCC相纳米层促进了晶界处的位错滑移，进一步提高了延展性。本研究的氧原子驱动策略为突破β-Ti合金的强度–延展性耦合难题提供了有效途径，并为新一代高性能钛合金的设计与开发提供了新的思路。

相关研究成果以题为“Simultaneous enhancement of strength and ductility of biomedical β-type Ti-35Nb-9Zr-7Sn alloy through oxygen-driven local chemical ordering and grain boundary nanolayers”发表在金属材料领域顶级期刊《Acta Materialia》。河南科技大学柳培副教授为第一作者和通讯作者，电子科技大学（深圳）高等研究院张昊博士为共同第一作者，伊迪斯科文大学张来昌教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121812

本文亮点

• 提出氧驱动的双重纳米结构调控策略：在Ti-35Nb-9Zr-7Sn合金中引入0.3 wt.%氧，利用球差校正透射电镜和三维原子探针等先进表征手段发现了晶界~20 nm厚FCC富氧纳米层与晶内局部LCO结构的双重纳米结构，通过第一性原理计算阐明了氧驱动的FCC富氧纳米层与LCO结构形成机理。

• 实现β-Ti合金屈服强度–延展性同步提升：在Ti-35Nb-9Zr-7Sn合金中引入0.3 wt.%氧，均质化态屈服强度由531±3 MPa 提升至 637±3 MPa，延伸率由37±1%提升至41±1%；冷轧态屈服强度进一步提升至1121±3 MPa，延展性仍保持提升。杨氏模量保持在30–33 GPa、接近人体皮质骨。

• 揭示氧驱动的晶内和晶界协同强韧化机制：晶内LCO结构可实现位错滑移由平面向波状转变，促进双交叉滑移和位错增殖提高应变硬化能力，而晶界FCC富氧纳米层的本征塑性及其与基体的共格界面可促进晶界位错滑移并抑制晶界软化。有效打破了β-Ti合金强度–延展性互斥难题。

图文解析

图1. 本研究医用β-Ti合金的制备流程图

图2. HT-TNZSO与HT-TNZS合金的微观结构特征。(a1) HT-TNZSO合金的EBSD IPF图，(a2) XRD图谱和 (a3) TEM图像；(b1) HT-TNZS合金的EBSD-IPF图，(b2) XRD图谱和 (b3) TEM图像；(c) 图(a3)中界面纳米层的EDS成分图；(d) β-Ti相与界面纳米层之间的界面HRTEM图像：(d1) 图(d)中黄色区域的FFT图像；(d2) 图(d)中蓝色区域的FFT图像；(d3) 图(d)中界面的FFT图谱；(d4) 图(d)中界面的HRTEM图像；(e) β-Ti相与纳米层之间界面的另一张HRTEM图像：(e1) 图(e)中蓝色区域的FFT图谱。(e2) 图(e)中黄色区域的FFT图像；(e3) 图(e)中界面的FFT图案；(e4) 图(e)中界面的HRTEM图像

图 3 HT-TNZSO合金界面纳米层的三维原子探针断层扫描和球差校正透射电镜微观结构。(a) 3D-APT实验前样品的TEM图像；(b) 使用3D-APT重构的原子图像；(c) 与图(b)中黄线对应的成分分布图；(d) 沿[011] FCC晶带轴方向的界面纳米层的STEM-HAADF图像；(e) 界面纳米层的STEM-ABF图像；(f) 图(e)中红色方框区域的放大图，显示了FCC晶体结构。白色箭头标出了FCC晶格中的氧原子柱

图4 HT-TNZSO合金中β-Ti基体的球差校正透射电镜显微组织。(a1) 沿[110] β-Ti晶带轴的β-Ti基体的STEM-HAADF图像；(a2) 放大的HAADF图像及其对应的原子分辨率EDS图像；(a3) 图(a2)中黄色方框区域元素分布的线扫曲线图；(b) 图(a1)对应的FFT图像；(c) β-Ti基体中LCO结构畴的IFFT图像；(d) 叠加BCC-Ti晶格的LCO畴的IFFT图像。插图为黄色区域的放大图像；(e) 图(c)中黄色区域的强度分布图；(f1) β-Ti基体的STEM-ABF图像。(f2) 图(f1)中红色方框的放大图像，显示β-Ti基体中的LCO结构

图5 LCO结构和FCC纳米层形成机制的第一性原理计算结果。(a) 33Ti-10Nb-3Zr-2Sn BCC结构超晶胞；(b) 超晶胞中一个氧原子占据的四种位置；(c) 一个氧原子占据的四种位置的结合能；(d)-(f) 电荷差分密度图；(g) 含有间隙氧原子的BCC-Ti超晶胞模型；(h) 含有间隙氧原子的FCC-Ti超晶胞模型；(i) 含有不同含量间隙氧原子的FCC-Ti和BCC-Ti结构的结合

图6 不同制备条件下TNZS和TNZSO合金的室温拉伸性能。(a) 工程拉伸应力-应变曲线；(b) 真实拉伸应力-应变曲线；(c) 应变硬化率与真实拉伸应力的关系图；(d)本研究中合金的屈服强度和延伸率与参考文献中其他生物医用β-Ti合金的相应数据比较

图7 HT-TNZS和HT-TNZSO合金在不同间断拉伸应变下的变形微观结构的EBSD表征。(a1–a3) HT-TNZS合金在5%、15%和25%预拉伸应变下的对比图像，(b1–b3) HT-TNZSO合金在5%、15%和25%预拉伸应变下的对比图像。(c) HT-TNZS和HT-TNZSO合金中具有滑移迹线的代表性晶粒(G1–G6) 的滑移系信息。晶粒取向以晶胞模型表示，其中浅蓝色阴影平面和深蓝色虚线分别代表激活的滑移面和滑移方向。{110} 极图中的红线平行于滑移迹线，绿色虚线用于确定极图中滑移迹线的对应米勒指数

图8 (a1–b3) HT-TNZS和 (c1–d3) HT-TNZSO合金在15%和25%预拉伸应变下的几何必需位错分布和线扫曲线图;(a1-b1, c1-d1) 两种合金的GND分布；(a2-a3, b2-b3, c2-c3, d2-d3) 为沿位错和晶界的相应线扫曲线图

图9 不同拉伸应变下HT-TNZS和HT-TNZSO合金中位错构型的TEM分析。HT-TNZS合金在(a1) 5%、(a2) 10%和(a3) 25%应变下的位错构型；以及HT-TNZSO合金在(b1) 5%、(b2) 10%和(b3) 25%应变下的位错构型。(c1) 5%应变下HT-TNZSO合金的TEM显微结构；(c2) 位错钉扎点周围局部原子结构的原子分辨率STEM-ABF图像；(c3) 图(c2)中红色方框区域的放大图，其中白色箭头表示氧原子柱

图10 拉伸试验后HT-TNZSO合金晶界附近微观结构演变的TEM表征。(a1) 5%应变和 (a2) 15%应变下晶界附近的微观结构特征。(b1) 图(a2)中蓝色方框区域的HRTEM图像，显示β-Ti中的位错构型；(b2) 图(b1)的FFT图像，显示沿[100] β-Ti晶带轴的β-Ti基体；(b3) 沿(011)晶面的β-Ti基体晶格条纹重构。(c1) 图(a2)中红色方框区域的HRTEM图像，显示纳米层内部的位错构型；(c2) 图(c1)的FFT图像，显示沿[001] FCC晶带轴的界面纳米层；(c3)沿(020)晶面的界面纳米层的晶格条纹重构。(d1) 图(a2)中绿色方框区域的HRTEM图像，显示了纳米层与β-Ti基体之间的界面；(d2)晶格条纹重构，显示了位错跨越纳米层与β-Ti基体之间的边界的迁移；(d3) GPA分布，显示了纳米层-基体界面处的应变波动

图 11 CR-TNZSO合金经10%拉伸应变后微观结构演变的TEM表征。(a1) β-Ti基体的TEM图像；(a2) β-Ti的高分辨TEM图像，显示位错构型；(a3)图(a2)的FFT图像，显示沿[011] β-Ti晶带轴的β-Ti基体；(a4) 沿(200)晶面的β-Ti基体晶格条纹重构。(b1)纳米层与β-Ti基体之间的TEM图像；(b2) 纳米层的HRTEM图像，显示位错构型；(b3) 图(b2)的FFT图像，显示沿[011] FCC晶带轴的纳米层；(b4)沿(111)晶面的FCC纳米层的晶格条纹重构

图 12 TNZSO合金塑性变形机制示意图

结论展望

综上所述，本文提出了一种基于氧驱动的局部化学有序结构与晶界纳米层的协同调控策略，可同时提升Ti-35Nb-9Zr-7Sn医用β-Ti合金的强度与延展性。研究表明，仅加入0.3 wt.%的氧即可使均质化与轧制态合金的屈服强度和拉伸塑性同步提高，有效突破传统β-Ti合金存在的强度–延展性耦合限制。通过先进显微表征手段揭示：晶内的局部LCO结构可将位错行为由平面滑移转变为波状滑移，促进交滑移并实现持续的位错增殖，从而增强应变硬化能力；与此同时，氧诱导形成的晶界FCC纳米层能够促进位错跨晶界滑移，抑制晶界开裂的发生。晶内和晶界机制的协同作用，为实现医用β-Ti合金中优异的屈服强度与延展性匹配关系提供了可靠路径，也为新一代高性能生物医用钛合金的开发提供了重要理论基础。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢作者团队支持。