钛合金是航空、航天、深海等战略领域的关键结构材料。TC16合金（Ti-3Al-5Mo-4.5V, wt.%）作为典型的α + β两相钛合金，被广泛用于制备航空紧固件。本世纪初，中国科学院金属研究所钛合金团队承担TC16钛合金紧固件丝材研制任务，丝材在冷镦制备紧固件过程中开裂是制约材料研制的技术瓶颈之一。TC16合金的塑性变形显著依赖于β相稳定性及相变行为，通过设计热处理制度使合金依次发生β → α″ → α + β相变，由此制备出超细α组织，使TC16合金在冷镦变形80%后仍不发生开裂，突破了冷镦紧固件的制造瓶颈（《金属学报》 46 (2011) 1443）。同时，团队前期研究表明，调整淬火温度和两相微区元素浓度可显著改变TC16合金β相稳定性，形成亚稳ω或α″相，并在变形时触发应力诱导马氏体相变和孪生诱导塑性效应，从而实现优异的强塑性匹配（JMST 34 (2018) 2507, JMST 34 (2018) 2325）。钛合金中的亚稳ω/α″相均影响后续α相的形核生长，如何精准利用该亚稳相变行为，实现组织与性能的深度优化，仍是亟待深入探索的材料技术问题。

金属所马英杰、杨锐研究团队与合作者提出基于可控ω/α″亚稳相诱导α形核长大并构筑异构组织的优化策略：通过两相区淬火精准控制β相稳定性，诱导析出不同类型亚稳相，结合多级时效热处理激活亚稳相诱导α形核机制，实现多级异质结构的构筑及强塑性的协同提升。取得系列进展如下：

1) ω相诱导纳米级α形核机制研究。采用理论计算与实验相结合的方法，，揭示了ω相形核驱动力及形核位点的多因素交互作用机制，阐明了ω相变路径对α片层尺度与变体选择的影响规律，结果表明等温ω颗粒可为次生α（secondary α, αs）提供有效形核位点，其形核位点取决于等温ω生长相关的浓度场、应力场以及ω/β界面特性三者间的协同或竞争作用。该研究将ω辅助α形核的策略从β钛合金拓展到α + β两相钛合金。（Acta Materialia 279 (2024) 120302）。

2) 纳米级次生α的晶体学机制。采用透射菊池衍射技术，进一步在微米范围内研究了ω辅助形成的纳米级次生α的晶体学机制。αs片层细化有利于Type B变体对的形成，相场模拟验证了实验结果并揭示了其内在机理，即ω辅助形核放大了弹性相互作用，促进自催化形核，驱动Type B变体对的择优分布。（Acta Materialia 296 (2025) 121148）。

3) ω/α″协同调控与四级异构组织构筑。进一步研究表明，通过低温时效处理可提高α″孪晶密度，有效抑制应力诱导相变，显著提升合金强度（Scripta Materialia 264 (2025) 116717）。通过两相区淬火结合多级时效处理，激活ω/α″协同调控机制，构筑了兼顾α相尺寸和化学成分梯度的四级异构组织（微米等轴α_p+微米α_s+纳米α_s+平行阶梯状α_s）。相较于退火态组织（微米α_p和微米α_s）与二级异构组织（微米α_p和纳米α_s），实现了强塑性的协同提升。四级异构组织性能提升的本质是多尺度α片层在协调变形过程中形成的多级异质界面网络，其中可塑性变形的微米αs片层作为机械缓冲域，在低应变下阻碍位错运动，而在高应变下促进位错传递；微米α_s能与纳米α_s形成异质界面并产生额外的HDI应力，缓解应变局域化。该工作近期发表在Acta Materialia 期刊（DOI: 10.1016/j.actamat.2026.122127）。

以上工作构建了钛合金“可控亚稳相诱导相变——多级异构组织构筑——变形行为/力学性能优化”的研究框架，为高性能钛合金的多级异构组织精细化设计与工程应用提供了理论基础。

金属所2023级博士生贾焱迪为相关论文的第一作者（含1篇共同一作），哈尔滨工业大学（深圳）施荣沛教授、河北工业大学郑士建教授以及金属所材料显微科学研究部杜奎研究员、分析测试中心沈莹莹等参与了以上工作。

相关研究工作得到国家自然科学基金（52321001、U2106215）、国家重点研发计划项目（2021YFC2801800）等资助。

图1.ω辅助形核机制形成的超细纳米级αs片层及其变体分布

图2.四级异构（FSH-α）组织制备策略及力学行为：（a）ω/α″协同调控形成的四级异构组织；（b）多级异质界面网络促进强塑性协同提升