航空航天等领域近年来发展迅猛，因而对能承受极端高温环境的结构材料需求日益迫切。这类材料需同时具备高熔点、高温强度和常温韧性。体心立方（BCC）结构的难熔合金因熔点极高和高温下力学性能稳定的优势，成为这类领域的核心候选材料，尤其多主元难熔合金还展现出传统合金难以企及的高温强度与硬度。但BCC难熔合金常温下延展性差，且易受氧等间隙元素影响变脆，长期面临强度与韧性难兼顾的问题。这些矛盾使得开发兼具高温耐受性、常温高强度与韧性的BCC难熔合金成为材料领域的重要挑战，也为相关研究提供了核心方向。

近日美国加州大学研究人员向等摩尔的TiNb合金中，加入了大约1%原子比的氧，再通过特定热处理让合金内部发生“相分解”，使合金抗拉强度超2GPa，同时保持约8MPa·m^0.5的中等断裂韧性。相关研究结果以“Interstitial-Mediated Spinodal Decomposition Pathways Leading to Strengthening in TiNb”为题被发表在期刊《Acta Materialia》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121741

【核心内容】

该研究成功诱导了合金从均一BCC相发生相分解，形成纳米级调幅结构和层状结构，使合金的抗拉强度超过了2GPa，细调幅结构达2.43GPa，为原始均一BCC相合金的3倍，并保留约8MPa·m^0.5的中等断裂韧性。同时，该研究明确了调幅结构和层状结构协同多尺度作用对强塑性的影响机制，为极端环境用材料设计提供了“二元合金+微量氧调控”的高效新路径。

图形摘要

【研究成果】

① 实现精准的纳米级微观结构调控

通过向等摩尔的TiNb合金中引入约1%原子比的间隙氧，并结合800℃的特定热处理，成功诱导合金从初始均一的体心立方（BCC）相发生相分解，形成两种关键纳米结构：一是Ti/Nb富集的调幅结构，其成分呈周期性波动，周期为40-100nm，二是富Ti六方相（α-HCP）和富Nb BCC相交替的层状结构。

样品微观结构

元素分布及高分辨图像

② 突破难熔合金强韧性协同难题

合金的抗拉强度超过了2GPa，其中细调幅结构能达到2.43GPa，是原始均一BCC相合金的3倍。另外，合金的硬度达到了6.2GPa，同时保持了约8MPa·m^0.5的中等断裂韧性。该材料在纳米压痕测试测试下无脆性开裂现象且塑性变形均匀，强度方面比多数含和不含氧的BCC多主元合金和传统钛基合金都更好。

结构强度随特征大小变化趋势

拉伸测试结果

断裂前后微观成像

③ 明晰多尺度协同强化机制

调幅结构和层状结构的协同作用可以使合金既实现强化又避免脆化。其中，调幅结构是依靠成分波动阻碍位错运动，且正交相/O'相和α-HCP析出相起到了共格应变强化，细调幅区应变可达0.775%。层状结构则是通过富Nb BCC层的位错受限滑移或位错堆积强化，且富Nb区本身具备延展性，能够促进均匀塑性。

4D-S/TEM 放大的应变图

不同界面的GPA分析

【总结与展望】

这项研究通过微量间隙氧调控和特定热处理的创新方法，在二元TiNb合金中成功构建了纳米级调幅与层状复合结构，解决了二元TiNb合金强塑性不匹配的问题。其多尺度强化机制和低成本的成分设计路径，不仅为钛基难熔合金的性能优化提供了新范式，更对极端环境材料研发及粉末增材制造场景的性能调控具有重要指导意义，为后续高性能结构材料的设计与应用奠定了关键基础。