增材制造钛合金新突破：实现1030MPa强度下5770MPa超高加工硬化！

先进钛合金以其优异的比强度，已成为航空航天及3C等高技术领域不可或缺的材料，其轻质耐久的特性主导着技术进步。增材制造作为一种变革性范式，能够实现几何结构复杂的钛部件从消费级原型到工业级批量生产的快速、近净成形制造。然而，一个关键瓶颈依然存在：当前最先进的增材制造钛合金虽常能获得超高屈服强度，却往往以塑性损失和不足的加工硬化能力为代价，严重限制了其在承重应用中的损伤容限和结构可靠性。

近日，在 Nature Communications期刊中发表的Harnessing strengthening-metastability synergy for extreme work hardening in additively manufactured titanium alloys一文，报道了一种通过增材制造（激光粉末床熔融，LPBF）并结合强化-亚稳协同设计策略，在钛合金中实现极高加工硬化能力的新方法。本期谷·专栏将进行简要分享。

论文链接：

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

研究团队在Ti-6Al-4V 基础上添加5 wt.%的CoCrNi 三元添加剂，通过非平衡凝固过程，构建了具有多尺度成分与组织异质性的微观结构。该合金在保持1030 MPa高屈服强度的同时，实现了高达5770MPa的峰值加工硬化率和 9.3% 的均匀延伸率，显著超越了传统增材制造钛合金的性能瓶颈。

关键机理在于，该设计诱导了完全的两步马氏体相变（β → β/α' → α'/α' 孪晶），而非传统亚稳合金中常见的不完全相变，从而在变形过程中通过顺序激活的相变诱发塑性（TRIP）和孪生机制，持续提供加工硬化能力，有效协调了强度、塑性与损伤容限之间的矛盾。该工作为通过增材制造与合金设计协同优化，开发新一代高性能结构材料提供了新思路。

图文解读

图2： 展示了 Ti-6Al-4V 及 Ti-6Al-4V + 5% CoCrNi 合金的拉伸力学性能对比。添加 CoCrNi 后，合金在维持约 1030 MPa 屈服强度的同时，均匀延伸率提升至约 9.3%，极限抗拉强度达到约 1402 MPa。其加工硬化率曲线显示峰值高达 5770 MPa，远高于基体合金。图中还通过 (UTS-YS)*UE 等指标，将该合金的性能与多种增材制造钛合金、钢、铝合金及镍基高温合金进行了对比，凸显了其优异的强度-塑性-加工硬化协同效应。

图3： 呈现了增材制造态 Ti-6Al-4V + 5% CoCrNi 合金的微观组织特征。XRD 图谱证实了 α'（hcp）和 β（bcc）双相结构。背散射电子（BSE）和电子背散射衍射（EBSD）图像显示了从熔池尺度到纳米尺度的多级结构，包括漩涡状的熔池轨迹和细小的板条组织。成分分析表明，组织中存在富 CoCrNi 的钩状亚稳 β 相、α' 马氏体以及富集程度更高的稳定 β 相，形成了化学成分与相分布的微观不均匀性。

图4： 通过透射电镜（TEM）详细揭示了 α' 马氏体和稳定 β 相的精细结构。α' 马氏体内部存在纳米孪晶或变体，而稳定 β 相则呈现为富含 Co/Ni 的胞状亚结构，并伴有明显的成分偏聚。这些纳米尺度的特征，如内部孪晶和胞状结构，是影响材料变形行为与力学性能的关键因素。

图5： 展示了不同拉伸应变下的原位/非原位 EBSD 分析结果。相图清晰地描绘了随着应变增加，bcc β 相向 hcp α' 相转变的过程。该转变并非均匀发生，而是依赖于局部区域的 [Mo]eq（钼当量，反映 β 相稳定性）。[Mo]eq 较低的区域相变更早、更完全，而较高区域则转变延迟或部分转变，这种时空异质性的 TRIP 行为有助于分散变形、缓解应力集中，从而维持持续的加工硬化。

图6： 利用 TEM 深入分析了合金在不同应变阶段（2.5%， 6.0%， 断裂后）的变形机制。在 2.5% 应变时，亚稳 β 相内部开始形成与基体共格的 α' 马氏体板条。当应变增至 6.0% 时，残余 β 基体完全转变为 α' 马氏体，并且新生马氏体板条之间形成了 {10-11} 孪晶关系。断裂后，孪晶界处观察到高密度的位错缠结。这些结果直接证实了两步、完全的 TRIP 过程及其伴随的孪生行为。

图7： 示意图总结了完整的“两步 TRIP”变形机制。第一步，在初始塑性变形阶段，亚稳 β 相部分转变为初生 TRIP α' 马氏体板条。第二步，随着应变进一步增加，剩余的 β 基体完全转变为次生 TRIP α' 马氏体板条，并与初生板条形成相互孪晶关系。这种独特的顺序相变与孪生机制，是实现超高加工硬化率和良好塑性的核心。

总结

本文通过增材制造结合强化-亚稳协同设计策略，成功开发出 Ti-6Al-4V + 5 wt.% CoCrNi 合金。该合金利用 CoCrNi 添加剂高效的综合强化效应（固溶强化主导）和精准调控的 β 相亚稳度，在 LPBF 非平衡凝固过程中形成了具有成分与组织多级异质性的微观结构。变形时，该结构诱发了一种完全的两步马氏体相变（β → β/α' → α'/α' 孪晶），而非传统的不完全相变。这种独特的 TRIP 路径与随之产生的纳米孪晶结构，使得材料在保持 1030 MPa 高屈服强度的同时，实现了 5770 MPa 的创纪录加工硬化率和 9.3% 的均匀延伸率，有效解决了高强度钛合金中加工硬化能力不足与塑性损失的固有矛盾。

文章创新点

① 将本文的“强化-亚稳协同”设计范式应用于其他亚稳合金体系（如亚稳 β 钛合金、TRIP/TWIP 钢、亚稳高熵合金），通过增材制造探索其非平衡组织与极端力学性能的关联。

② 深入研究其他多组元强化添加剂（如 AlCoCrFeNi 系高熵合金成分）对钛合金增材制造过程中凝固行为、相变序列及变形机制的影响，拓展高性能钛合金的成分设计空间。

③ 利用机器学习方法，整合钼当量 ([Mo]eq)、固溶强化系数、增材制造工艺参数等特征，构建钛合金“成分-工艺-组织-性能”的预测与优化模型，加速新型高性能钛合金的研发。

论文引用

Chen, X., Xie, Y., Zhang, T. et al.Harnessing strengthening-metastability synergy for extreme work hardening in additively manufactured titanium alloys. Nat Commun17, 959 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-025-67683-8

来源：Metals Letters

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