钛合金因高比强度与优异耐蚀性被广泛用于航空发动机、结构件等领域，但其高温强度和抗氧化性能仍弱于镍、钴基高温合金。传统Ti-Fe系强化虽能提升硬度，但难以兼顾塑性与热稳定性。为此，研究团队引入高熔点元素钨（W），以实现对Ti-Fe体系的热稳定强化，同时保持较低密度，旨在构建一种具备轻质、高硬度与高温稳定的A2-B2型纳米多相结构合金。

2025年11月7日，《Acta Materialia》期刊上发表题为“Design Strategy and Strengthening Mechanisms of a Novel Ultra-Hard Titanium-Based Alloy”的研究论文，该研究提出了一种新型Ti-20W-20Fe超硬钛基合金体系，通过“纳米晶强化+界面错配调控+Orowan机制协同”实现了21.18±2.15GPa的纳米压痕硬度与231kJ/mol的高热稳定性，为航空航天涡轮及防护涂层材料提供了新的设计思路。通讯作者为中国科学院力学研究所的赵翀助理研究员和西交利物浦大学的顾天虹博士。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121706

【核心内容】

这项研究中，团队设计了新型Ti-20W-20Fe三元体系，利用钨元素的高熔点与低扩散性，在Ti-Fe基体中诱导形成多相纳米结构，这些析出相之间存在显著的晶格与模量错配，界面处形成高密度位错与局域应变场。通过HRTEM与HR-EBSD表征，团队发现材料内部具有均匀分布的几何必要位错（GND），显著增强了位错钉扎与应变硬化能力，W元素在Ti基体中形成非共格纳米析出物，诱发Orowan绕过机制与界面错配应变，有效抑制位错滑移并提升局部流变强度，使合金实现了21.18±2.15GPa的超高硬度与优异的热稳定性。

图形摘要

【研究方法】

研究团队基于CALPHAD热力学计算确定Ti、W、Fe比例为60:20:20 wt.%，并通过高速球磨+真空热压烧结实现致密化制备（1100℃，50MPa，20min），随后利用XRD、TEM、HR-EBSD、TGA/DSC、纳米压痕等手段对其显微组织、强化机制及热稳定性进行了系统研究。

合金的制备流程

【研究成果】

① 多相纳米组织结构的构建

团队制备的Ti-W-Fe合金其内部形成的多相纳米结构包括：FCC的Ti基体（79.6%）、B2结构的TiFe、E93结构的Ti₂Fe、C14结构的TiFe₂及BCC的W纳米析出物，基体晶粒平均尺寸仅为457nm，析出相约3.6nm，这种超细晶组织与纳米析出物共存，使材料在微观尺度上获得高密度位错钉扎与应变强化效应。

TEM/SAED结果

② 卓越的热稳定性与抗氧化性能

该合金在宽温区间内结构稳定，1200℃时仍未出现明显的结构失稳现象，热失重仅0.12%，合金的高热稳定性主要源于W元素的低扩散性与高界面能抑制作用，有效阻止晶粒长大与相分解，通过计算得到扩散激活能为231kJ/mol，显著高于其他Ti合金体系（145-206kJ/mol）。

DSC与TGA结果

③ 超高硬度与显著界面强化效应

合金宏观维氏硬度为1676±108HV（≈16.4GPa），纳米压痕硬度高达21.18±2.15GPa，通过HR-EBSD分析，合金内部的GND密度达到1×10¹⁴ m^-2，合金的强度来源包括：Taylor位错强化（≈863MPa）；Hall-Petch效应提供的晶粒细化强化（≈520MPa）；纳米析出Orowan强化及界面错配应变强化。

微观区域的力学性能差异

位错密度和应变分布

④ 界面结构与强化机制揭示

合金内，不同相的相界面处伴随着不同程度的晶格适配，同时也诱发多重界面强化机制，其中Ti/Ti₂Fe界面的晶格适配程度最高，达163%，在该界面处团队发现了5nm的无序层，这一纳米无序区域能够有效阻碍位错滑移：W/Ti界面（38.7%晶格失配）主要以高密度错配位错与堆垛层错为主；Ti₂Fe/TiFe₂界面（48.7%晶格失配）则诱发类Pitsch-Schrader取向关系的滑移限制效应。

W颗粒与Ti基体的界面应变、晶格失配和位错钉扎机制

界面应变和晶体缺陷的形成

多相界面的晶格失配、应变场和各向异性行为

【总结与展望】

该研究中制备出了具有纳米晶组织的应变硬化型Ti-W-Fe高温合金，实现了低密度、高硬度与优异热稳定性三者兼得的目标，且制备方法效率高，组成元素粉末成本低，显著提高了该合金在飞机工程中用于防护涂层的经济可行性和潜在应用。