钛合金凭借着低密度、高比强度、耐腐蚀等特点，已在航天航空、海洋能源等领域广泛运用。近年来对于钛合金的研究也日益成熟，但要想进一步扩宽钛合金的应用深度，高强度、高塑性和高韧性三者缺一不可。传统提升强度的手段，如通过二级α相析出实现析出强化，往往会导致塑性下降；而增大α层片尺寸提升塑性，又会造成强度不足。如何在结构尺度、组织形貌与变形机制之间实现新的平衡，是解决强塑韧三性耦合矛盾的核心问题。

近日，材料领域权威期刊《Journal of Materials Science & Technology》在线发表了一篇题为“Overcoming strength-ductility/toughness trade-off in ultra-high strength titanium alloy via fork + multi-scale structure”的研究成果，该论文的研究团队基于TB17钛合金体系，通过设计三步热处理工艺，在材料中构建出独特的“叉状（forked）+ 多尺度（multi-scale）”复合组织，使合金在实现1378MPa拉伸强度、8.6%延伸率的同时还兼具81 MPa·m^1/2断裂韧度，有效突破了长期困扰钛合金设计的强-塑-韧性能权衡难题。通讯作者为中航工业北京航空材料研究院朱知寿研究员和西北工业大学凝固技术全国重点实验室的徐建伟副研究员、曾卫东教授和李恒教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.10.064

【核心内容】

研究提出的核心思路是通过三步热处理，在TB17钛合金中构筑由“叉状α结构”“中尺度α层片”“细小二级α”共同组成的多尺度复合组织。叉状结构提供了更大的形变缓冲能力，中尺度α增强滑移协调性，而二级α负责维持高强度。三类组织在不同变形阶段发挥互补作用，使材料呈现出类似梯度结构的行为特征，从而改善应变分配、延缓局部失稳，并显著提高裂纹偏折能力。通过这种组织共生策略，材料的强度、塑性与断裂韧性得以同时提升。

图形摘要

【研究方法】

团队首先利用高温固溶过程重新分配β相与α相的体积分数与尺寸，在固溶结束后，将三种不同冷却速度的样品分别标记为计H1、H2、H3（H1:快速冷却，H2：中速冷却；H3：缓慢冷却）；随后通过中温退火调节初生α与中尺度α的形貌连接特征；最终通过时效过程析出高密度的二级α以实现强化。在组织表征方面，研究者借助OM、SEM、EBSD、TEM、TKD等手段对晶体取向、相界关系、析出相尺寸与分布进行了系统研究，并通过HRTEM分析组织演化细节。在性能测试方面，研究团队进行了室温拉伸、断裂韧度测试以及断口分析，结合位错结构观察揭示不同组织在变形过程中的贡献机制。

TB17钛合金的微观结构形貌与实验方法

【研究成果】

① 独特“叉状+多尺度结构”的形成机理

三种样品的微观结构呈现出明显差别，H1组织以时效过程中析出的细小次生α相为主；H2组织发展出较为连续的中尺度α层片，初生α形貌趋于规则；而H3组织最为特别，具体表现为形成了叉状结构，结构特征是多个方向一致的α层片在端部合并、延伸并产生分叉形态，该结构的形成来源于α层片的外延生长、相邻层片的连接延伸以及同向层片的合并粗化。

分叉结构的典型形貌

外延生长形成的分叉结构特性分析

连接伸长与合并粗化形成的分叉结构特性分析

② 力学性能实现强-塑-韧三性能协同

在三种样品中，H1虽具有高强度但塑性不足，而H2虽具塑性但强度偏低，相比之下屈服强度1272MPa，抗拉强度1378MPa，延伸率8.6%，断裂吸收功81MPa·m^1/2的H3具有最优的综合力学性能。

不同热处理条件下的微观结构表征与力学性能

③ 位错行为揭示增强塑性的关键机制

三种状态的合金在变形过程中的位错行为也有显著区别，该区别本质上源于三种合金的微观结构差异，H1组织的位错主要被次生α相阻挡，导致应力集中严重，大大削弱了合金的变形能力；H2中初生α能较好的容纳位错，因而塑性最佳；而在H3中，叉状α的端部区域能够容纳大量位错，中尺度α提供良好的滑移传播路径，次生α则在强化的同时保持一定的相界协调性，多尺度结构之间的错配度适中，使位错既能累积又不容易形成过度堆积，从而在宏观上提高应变硬化能力，延缓颈缩的发生。

H1拉伸试样断口附近的位错表征

H2拉伸试样断口附近的位错表征

H3拉伸试样断口附近的位错表征

④ 裂纹的复杂扩展路径是维持韧性的关键

H1的裂纹扩展趋于直线，缺乏明显的能量耗散机制，裂纹可以迅速扩展最终导致材料宏观结构失稳而断裂；H2的裂纹扩展呈现大幅度弯折，难以迅速扩展合并，故韧性最佳；而H3能在兼具高强度的前提下维持优良的断裂韧性，是因为裂纹在遇到叉状α与中尺度α交替分布的区域时也会发生多次偏折，从而形成复杂的扩展路径，并在局部产生大量的几何必要位错（GND），显著提升能量耗散能力。

裂纹扩展路径的晶体学取向特性

H1、H2、H3样品的位错行为与裂纹扩展示意图

【总结与展望】

该研究提出并验证了“叉状+多尺度结构”这一组织设计理念，为解决超高强钛合金强-塑-韧性能兼得的难题提供了有效途径，该方法基于常规热处理工艺，具有很强的工业适配性，可直接用于航空航天高强构件的工程化制备，为未来钛合金的结构优化提供了重要参考。