钛合金凭借着优异的力学性能和耐腐蚀性能活跃在航天航空与生物医疗等领域，其中亚稳β钛合金便是主要应用的体系之一。然而，这类合金在实际应用中由于变形初期容易发生应力/应变诱发α''马氏体相变（SIMT），导致其屈服强度普遍偏低，严重限制了其在承力结构件中的应用，并且对于兼具TRIP效应的亚稳β钛合金，传统的晶粒细化策略带来的强化效果会被软质α''马氏体的形成所抵消。另一方面，通过时效处理引入等温ω相虽能提高强度，但通常伴随着严重的脆化问题。

近日，京都大学联合苏州国家实验室结构材料部通过将β退火后的冷却方式从水淬（WQ）改为空冷（AC），即使Ti-10Mo合金的屈服强度实现翻倍增长。目前这一成果在线发表于材料领域国际期刊《Acta Materialia》，论文题为“Unlocking a twofold yield strength increase in metastable Ti-10Mo alloy through cooling-rate-controlled ω precipitation and β grain refinement”

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122454

【研究成果】

① 冷却速率调控下的微观结构演化

在WQ-8μm试样中，未观察到元素偏聚和晶界析出物，而在AC-8μm试样中，沿晶界形成了棒状析出物，该析出物为具有六方密排结构的α相，且遵循Burgers取向关系，这些晶界α相的形成导致晶内Mo含量富集至，同时空冷处理增加了ω相的体积分数，还使其平均直径从水淬态的2.8nm略微增大至4.0nm。

WQ与AC细晶试样中晶界及晶界α相的STEM与EDX表征

WQ与AC细晶试样中ω相的同步辐射XRD、SAED及暗场像对比

② 力学性能对比

• WQ-240μm试样的屈服强度为445MPa，均匀延伸率为24.2%；

• AC-240μm试样屈服强度跃升至955MPa，均匀延伸率仍保持在19.1%。

• WQ-8μm试样屈服强度为667MPa，均匀延伸率达32.0%；

• AC-8μm试样的屈服强度飙升至1423MPa，但均匀延伸率急剧下降至1.6%。

断裂形貌分析显示，水淬试样均呈现典型韧性断裂特征，断口布满细小韧窝，AC-240μm试样表现为混合断裂模式，而AC-8μm试样则呈现出明显的沿晶脆性断裂特征。

不同晶粒尺寸与冷却速率下Ti-10Mo合金的力学性能

不同条件下拉伸断裂试样的断口形貌及AC-8μm试样侧面的微观裂纹与晶界α相观察

③ 变形机制的转变

WQ试样中，应变诱发α''马氏体相变主导了塑性变形，而在AC试样中，{332}<113>变形孪晶成为早期变形的主要机制，α''马氏体相变受到抑制，AC-240μm试样中观察到波浪状滑移带，表明多滑移系被激活，有利于变形协调和良好的塑性，而AC-8μm试样中则以平面滑移带为主，位错在晶界处严重堆积，导致局部应变集中。

不同条件下试样在2%和6%塑性应变下的EBSD相图与{332}<113>变形孪晶边界分布

AC-8μm试样中平面滑移带、位错堆积及ω相对位错钉扎作用的TEM分析

WQ-8μm、AC-8μm与AC-240μm试样中ω相与β基体间Mo元素分配的APT分析

④ 元素分配与ω相类型的精确鉴别

WQ-8μm试样中的ω相其Mo浓度与β基体几乎一致，而AC-8μm试样中的ω相中Mo含量仅为4.42 at.%，而β基体中Mo含量高达8.11 at.%，这种化学偏聚使ω相转变为硬质的等温ω相，AC-240μm试样则处于中间过渡状态，元素分配程度较弱。团队定量计算了各强化机制的贡献：对于AC-8μm试样，固溶强化贡献200MPa，晶界强化贡献247MPa，位错强化贡献107MPa，而ω析出强化贡献高达583MPa。

WQ-8μm、AC-8μm与AC-240μm试样的变形机制示意图对比

WQ-8μm、AC-8μm与AC-240μm试样的变形机制示意图对比

⑤ 空冷粗晶试样的优异综合性能

AC-240μm试样由于粗晶中晶界面积密度低，有效抑制了晶界α相的析出，避免了晶界弱化；同时，中等程度的ω相元素分配使其可以保留部分α''马氏体相变能力，并与{332}<113>变形孪晶和波浪状滑移共同构成了多模式的塑性变形机制，有效延缓了塑性失稳出现的时机，在压缩测试中，AC-240μm试样最大压缩强度达1.6GPa。

力学性能对比

AC-240μm试样在不同应变下的ECCI与TEM位错结构表征

【总结与展望】

该工作中，团队提出可以通过改变冷却速率来控制ω相的析出行为和元素分配程度，进而改变合金的主导变形机制，这一策略具有巨大的工业可推广性，有望进一步推动该类合金体系在航空航天、生物医用植入物等高端领域的广泛应用。