钛合金作为现行使用最为广泛的轻质合金体系之一，高强钛合金在航空航天、能源装备等领域具有不可替代的地位，但目前高强钛合金的进一步发展受到了强塑性的相互制约，如传统α+β钛合金在提高强度的同时，往往因滑移体系受限、变形协调性不足而导致塑性严重损失，尤其在室温或中低温服役条件下，α相的单一滑移模式易引发应变局域化和早期失效。因此，如何在维持高强度的前提下，通过微观组织调控激活更多滑移体系、提升变形协调性，成为目前钛合金领域进一步发展亟待解决的的核心科学问题之一。

2025年12月，材料领域的国际权威期刊《Journal of Materials Science & Technology》在线发表了一篇由上海交通大学与西北有色金属研究院联合署名的题为“Activation of multi-slip systems and dual-functional α phases enhanced the hot workability of ultrahigh-strength titanium alloy”的研究论文，团队在该论文中系统揭示了通过激活多滑移体系并引入“双功能”α相，实现钛合金高强度与高延展性协同提升的全新微观机制。论文的通讯作者为上海交通大学的韩远飞研究员和吕维洁研究员。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.11.057

【核心内容】

研究围绕α相变形行为的本征调控展开，提出并验证了“多滑移体系激活+双功能α相协同作用”的设计理念。研究表明，通过精细调控α相的形貌、尺寸及其与β基体的界面特征，不仅可以显著提升合金的承载能力，还能有效改善位错滑移与晶粒间变形协调性，为新型Ti-1500G合金的热机械加工提供了有效的科学指导，提高了制造具有轻量化和超高强度性能的复杂零件的加工效率。

图形摘要

【研究方法】

团队以一种β亚稳钛合金Ti-1500G（Ti-4Al-4Mo-4V-5Cr-2Zr-1Nb，wt%）为研究对象，用差示扫描量热法测得β转变温度为~790℃。初始Ti-1500G合金的微观结构特点是垂直于压缩方向（CD）的细长颗粒形状，显微组织明显显示出大量棒状和等轴状α析出物，平均晶粒度为~1.41±0.4μm。随后团队综合采用了EBSD、TEM、原位拉伸、晶体学取向分析及位错滑移迹线分析等多尺度实验手段，系统刻画α相的取向分布、滑移模式及其在变形过程中的演化行为。同时，结合力学性能测试，深入关联显微组织特征与宏观力学响应，建立了α相形态-滑移体系激活-强塑性协同之间的内在联系。

初始Ti-1500G合金的微观结构及热压缩过程示意图

【研究成果】

① 多滑移体系的激活行为及其晶体学特征

通过EBSD反极图与晶内取向轴（IGMA）统计分析，α/β基体中同时激活了{110}<111>、{112}<111>与{123}<111>等多种滑移体系，多滑移并行提升了晶内变形的自由度，有效缓解了单一滑移导致的应变局域化，为后续动态软化与再结晶提供了必要条件。

变形程度对Ti-1500G合金微观结构的影响

BCC结构中滑移系统激活的统计分析

不同衍射轴下的位错结构TEM图像

② “双功能”α相：既是位错障碍，也是软化载体

研究发现，合金中的α相并非传统意义上的“单一强化相”，而是表现出独特的“双功能特性”：

• 一方面，α相通过钉扎位错与晶界迁移，提供显著的承载与强化作用；

• 另一方面，α相又通过诱导位错积累、促进亚晶界形成，加速动态回复（DRV）与连续动态再结晶（CDRX）；

这种“强化-软化并存”的双功能行为，是该合金实现高强度与良好变形能力协同的关键。

Ti-1500G合金的不连续动态再结晶（DDRX）机制

Ti-1500G合金的连续动态再结晶（CDRX）机制

Ti-1500G合金的晶界再结晶行为

Ti-1500G合金β晶界处的亚结构演化

③ α相球化与多滑移-位错协同调控机制

在持续变形过程中，层片状的α相在应力的诱发下发生动态球化，球化过程消耗了大量储存能，还降低了相界面应力集中程度，并且位错在α/β界面处大量堆积，引发界面畸变与晶格旋转，最终导致α相断裂、分离并向等轴形态转变。在整个变形过程中，α颗粒既可阻碍位错直线滑移，又可诱导位错发生交滑移、攀移与重排，形成稳定的位错网络和亚晶结构，提升变形协调性，并持续推动亚晶向再结晶晶粒转变。

Ti-1500G合金中α相球化机制

α相与位错相互作用的微观分析

α颗粒辅助的多滑移机制

④ 多重软化机制的统一模型：连接组织演化与宏观响应

在高应变条件下，α/β界面处的高密度位错与局部应变梯度降低了相变能垒，促使β-DRX晶粒在界面附近优先形核，而随着应变增加，合金内部不同的软化机制先后激活与协同演化。团队通过将流变应力曲线与微观机制一一对应，揭示了合金双软化阶段应力波动的本质原因是初期由位错累积主导的加工硬化逐渐过渡到由多滑移、α相球化与再结晶共同控制的动态平衡状态，该机理也是合金在复杂热加工条件下仍能保持良好可加工性的微观根源。

应力诱导α→β动态相变行为

多重软化机制随应变演变的示意图

多重软化机制与动态力学响应对应关系

【总结与展望】

该研究从α相本征变形行为出发，创新性地提出并验证了“多滑移体系激活+双功能α相协同作用”的组织设计新范式，深化了对钛合金塑性变形物理机制的理解，为新一代高强高韧钛合金的成分与组织设计提供了清晰、可推广的理论指导，对航空航天等高端装备材料的发展具有重要意义。