吕坚院士&徐舜教授团队《Nature》子刊：强化–亚稳态协同实现增材制造钛合金极高加工硬化！

先进钛（Ti）合金因其卓越的比强度而备受青睐，已成为航空航天和 3C（计算机、通信与消费电子）等高技术领域不可或缺的关键材料，在这些领域中，轻量化与耐久性直接决定着技术进步的水平。增材制造（AM）作为一种变革性制造范式，应运而生，使得从消费级原型到工业规模量产，均能够以近净成形的精度快速制备几何形状高度复杂的钛合金构件。然而，一个关键瓶颈依然存在：当前最先进的AM 钛合金通常通过牺牲塑性来获得超高屈服强度（YS > 1 GPa），其均匀延伸率显著降低（UE < 5%），且加工硬化能力不足（θ< 2000 MPa），这严重限制了其在承载应用中的损伤容限和结构可靠性。

提高钛合金屈服强度通常不可避免地依赖于通过固溶强化、第二相（如 α 马氏体）引入以及晶粒细化等内在组织特征来阻碍位错运动。然而，这类强化方式在变形过程中往往由于位错的大量累积与缠结而诱发局部应力集中。尽管加工硬化可以通过重新分配应变集中来在一定程度上缓解这一问题，但传统的加工硬化增强手段（例如相变诱发塑性，TRIP）通常会以牺牲屈服强度为代价。此外，在缺乏足够“硬化储备”的情况下，将高屈服强度与过高的加工硬化能力相结合同样是不理想的；相关尝试往往导致材料在屈服后不久即发生颈缩或断裂，从而表现出较低的均匀延伸率，例如增材制造马氏体时效钢中的早期失效现象。这些现象共同表明，钛合金长期受困于“强度–加工硬化–延展性”之间的固有悖论。

在增材制造合金中，这一挑战进一步加剧。AM 过程中的快速非平衡凝固通常促使形成细小的显微组织和较高的位错密度，这些特征虽有利于强度提升，却严重削弱了材料的加工硬化能力。这种加工硬化能力的不足对于AM 合金的损伤容限尤为不利，因为成形态AM 构件不可避免地包含随机分布的工艺缺陷，在外加载荷作用下极易诱发早期损伤与断裂。尽管通过引入β 稳定化元素（如 Fe、Cr 或 Ni，通常为少量添加）进行亚稳态设计已被证明可在一定程度上提升加工硬化能力和均匀延伸率，但在AM 钛合金中如何同时维持较高的屈服强度仍缺乏清晰认识。此外，稳定化元素的最优选择以及难以区分的显微组织演化过程（例如成形态α′马氏体与 TRIP 诱发 α′马氏体在晶体学结构上的高度相似性）进一步掩盖了性能提升的本质机制。鉴于传统亚稳态钛合金中普遍存在不完全相变（不可避免地保留残余基体），这一不确定性引出了一个关键科学问题：是否能够通过一种协同设计策略，在最大化强化效应的同时，实现完整的相变过程，从而突破上述限制。

在此，香港城市大学吕坚院士团队提出了一种强化–亚稳态协同（strengthening–metastability synergy）设计范式，通过精确调控高效稳定化元素，在钛合金中解锁前所未有的综合性能。增材制造过程中快速凝固所引入的成分非均匀性，使得5 wt.% CoCrNi 合金化的Ti-6Al-4V 表现出相较于其他稳定化元素更为突出的强化效率。基于这一设计，我们实现了以下三点关键目标：1）形成具有良好延展性的亚稳β 相（而非稳定β 相）；2）在兼顾亚稳态能力的前提下，实现更高的固溶强化效率；3）在变形过程中触发完整的两步马氏体相变，生成互孪晶结构，从而维持持续而渐进的加工硬化能力。

近期相关研究结果以Harnessing strengthening-metastability synergy for extreme work hardening in additively manufactured titanium alloys为题在线发表与Nature Communications上。北京理工大学材料学院徐舜教授为论文共同通讯，香港城市大学陈绪梁博士，谢友能博士和香港科技大学张天隆助理教授为论文共同第一作者。

论文链接：

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

核心思路是什么？

研究团队通过系统比较不同 β 稳定化元素的稳定能力与固溶强化效率，发现 Co–Cr–Ni 体系在单位稳定能力下具有异常突出的强化效率。基于此，利用LPBF 原位混粉制备了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匀性，构建出高度异质的亚稳组织，可实现完整、连续的两步 TRIP。

结果令人瞩目：屈服强度≈1030 MPa、最大加工硬化率5.7GPa、均匀延伸率≈9.3%，为基体合金的3 倍。

关键洞察：稳定能力≠强化效率

这项工作从一个非常“材料学本源”的角度重新审视问题：一种元素稳定 β 相的能力（Mo 当量）并不等价于它单位含量下提供的固溶强化能力，作者引入了一个“双参数设计框架”：

• 一轴：β稳定能力（[Mo]eq）

• 另一轴：固溶强化效率（Bi）

结果发现一个非常有意思的区域——Co–Cr–Ni 体系在“稳定能力× 强化效率”这两个维度上，处于极其罕见的最优组合区间。

关键机制：完整、连续的两步TRIP

利用AM非平衡凝固保留更低稳定性的亚稳β相，不同于传统亚稳钛合金中常见的不完全相变（β→ β/α′），该合金在变形过程中触发了完整且连续的两步马氏体相变路径：

• 早期变形中，亚稳 β 相转变为 α′马氏体，迅速提升加工硬化能力；

• 随着应变增加，残余 β 相进一步完全转变，并与早期生成的 α′形成互孪晶结构。

这种层级化的 α′/α′孪晶网络一方面通过动态Hall–Petch 效应持续抑制位错滑移，另一方面又能有效缓解界面应力集中，使加工硬化在高应变阶段仍得以维持。这使得加工硬化不是“一下子爆发”，而是被“分阶段释放”。

这项工作的真正意义

这项研究的价值，并不仅仅在于“性能刷新纪录”，而在于它提供了一种可迁移、可推广的设计范式：

• 不再简单追求 “ 更强的亚稳态 ”

• 而是 精确耦合：强化效率 × 相变路径 × AM 非平衡特征

• 让 TRIP 不再 “ 吞噬强度 ” ，而是与高屈服强度共存

这种思路不仅适用于钛合金，也为：超高强钢、中/高熵合金、其他加工硬化受限体系提供了一个全新的“解题思路”

图 1. Ti-6Al-4V + 5 wt.% CoCrNi 的设计理念。(a) 添加系数与固溶强化系数之间的关系。相关数据基于[Mo]eq方程及固溶强化效应计算得到。(b) 计算得到的固溶强化效应随 β 稳定化能力变化的关系。

图 2. Ti-6Al-4V 与Ti-6Al-4V + 5% CoCrNi 合金的力学性能。(a)拉伸工程应变–应力曲线及（内插图）真实应变–应力曲线。(b)加工硬化率曲线。(c) 不同钛合金体系中屈服强度（YS）与 (UTS–YS)×UE 的对比。(d) 不同钛合金体系中均匀延伸率（UE）与极限抗拉强度（UTS）的对比。(e) 考虑材料密度后的均匀延伸率（UE）与比极限强度（specific UTS）的对比。同时将本研究合金的力学性能与其他成形态（as-AM）合金进行比较。

图 3. 打印态（as-printed）Ti-6Al-4V + 5% CoCrNi 合金的显微组织。(a) 混合粉末与成形态样品的 XRD 图谱。(b) 沿扫描方向（SD）和成形方向（BD）的三维背散射电子（BSE）图像。(c) 沿 BD 方向的电子背散射衍射（EBSD）相分布及原始 β 晶界映射。(d) (b) 中标示区域的高倍 BSE 图像。(e) 不同区域中的CoCrNi 含量统计，至少选取五个位置并给出标准偏差。(f)亚稳 β 相的形貌及其化学成分的线扫描结果（g）。

图 4. 显微组织表征。(a) α′相典型的透射电子显微镜（TEM）形貌及其能量色散 X 射线谱（EDS）化学成分分布。(b) 稳定 β 相的BSE 与 TEM 形貌及其化学成分分布。

图 5. 不同拉伸应变下的准原位EBSD结果。(a) 不同工程应变下典型富 β 区域的相分布图（叠加带衬度）。蓝色区域对应 bcc 相，红色区域对应 hcp 相。(b) 不同[Mo]eq相稳定性条件下局部区域中的β 相体积分数。(c) 基于 β 相稳定性 [Mo]eq与变形应变的 TRIP 行为总结，统计结果来自不同应变条件下 EBSD 与 TEM 表征的三十余个局部区域（典型TEM 结果见图 S20）。不同 TRIP 区域之间的分界线根据屈服应变（左边界）、最小测得的 [Mo]eq（下边界）以及重叠区域的关键中点（上边界与对角边界）进行近似绘制。

图 6. 变形机制的TEM 分析。(a–b) 应变 2.5% 时的明场与暗场 TEM 图像。(c) 图(a) 对应的选区电子衍射（SAED）花样。(d) 显示 α′/β共格界面的高分辨 TEM（HRTEM）图像（插图为 FFT 图像）。(e) 应变 6.0% 时的明场TEM 图像，插图 SAED 花样表明 α′变体（v1与 v2）之间存在互孪晶关系。(f) 低倍暗场 TEM 图像及插入的高分辨 TEM 图像。(g) 显示孪晶界的高分辨TEM 图像。(h) 孪晶界处的位错分布。(i–j) 断裂后的暗场与高分辨 TEM 图像。(k–l) 孪晶界处的位错累积情况。

图 7. 变形机制示意图。

主要作者介绍

吕坚院士（通讯作者）：法国国家技术科学院（NATF）院士、香港工程院院士、香港材料研究会理事长（HKMRS）、香港城市大学机械工程系讲座教授、工学院院长、国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任、先进结构材料中心主任。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，结构与功能材料的设计及增材制造，图灵及高熵合金催化剂在电解水制绿氢及燃料电池与污水处理，超高灵敏度表面增强拉曼光谱（SERS）及在心脑血管疾病早期快速诊断，环保，食品安全等领域的应用。西安交通大学、东北大学、北京科技大学、南昌大学名誉教授，西北工业大学、上海交通大学和西南交通大学顾问教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。2025年获选美国国家发明家科学院（NAI）院士。已取得89项欧、美（53项）、中发明专利授权，在本领域顶尖杂志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 等专业期刊上发表论文650余篇，引用54000余次，H因子105。

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

徐舜教授（共同通讯作者），北京理工大学特立青年学者，教授，博导，入选国家级青年人才。博士毕业于法国洛林大学，在美国内布拉斯加林肯大学完成博士后，一直围绕高性能钛合金，通过EBSD/TEM等微观表征，结合DFT/MD/CPFEM/VPSC等跨尺度计算，开展新型钛合金设计与增材制造、变形行为与强韧化、相变与孪生机理等方面研究，以第一/通讯作者（含共同）发表Nature Communications (1)、Acta Mater (8)、International Journal of Plasticity (2) 等论文30余篇，研发的新型钛合金实现了成果转化，支撑新一代装备的发展。

陈绪梁博士（共同第一作者）：香港城市大学博士后，2022年获香港城市大学博士学位，主要研究方向：高性能金属（钛合金，高熵合金，钢等）的激光增材制造及其强韧化，表面超疏水抗冻等仿生界面等。以第一作者/共一/通讯发表Nature Communications, Materials Science and Engineering: R: Reports, Journal of Materials Processing Technology等多篇国际高水平期刊论文。

谢友能博士（共同第一作者）：香港城市大学深圳研究院博士后，合作导师为吕坚院士。主要从事高性能钛合金的开发与应用，主要针对钛合金结构及力学性能研究。在Nature Communications等期刊发表学术论文多篇。

张天隆教授（共同第一作者）：张天隆教授目前任职于香港科技大学机械及航空航天工程学系（MAE, HKUST），担任助理教授（Tenure Track Assistant Professor）、研究员、博士生导师，独立PI。张天隆教授近年来致力于先进金属材料的设计和微观组织调控，并在材料计算模拟-实验表征等多尺度多手段交叉学科领域具有广泛的研究兴趣和经验。主要研究方向包括基于增材制造(3D打印)的先进高性能合金设计、极端环境下材料的微观组织演化和变形行为、和相变路径的多尺度原位表征-相场动力学研究等。相关科研成果发表于Science、Nature Communications、PNAS、Acta Materialia等国际权威学术期刊，申请多项相关专利和软件著作权，同时先后担任多个国际期刊与杂志的编委、审稿人。张教授获得了多个国家级和省市级的研究资助，并获得香港研资局杰出青年学者计划、中国科协青年人才托举计划的支持。研究成果已获得超过4,000次引用，H指数为23，在国际国内会议做多次大会、主旨和邀请报告

来源：材料科学与工程公众号。感谢论文作者团队支持。

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