晶体缺陷如位错，除了作为塑性载体，还可作为有效的形核位点，控制具有多层级/形态第二相的析出，从而优化合金力学性能。钛合金的热机械加工可以引入大量的预先位错，为调节最终微观结构中的马氏体层级/形态提供媒介。然而，由于BCC金属中位错特征的强烈温度依赖性，高温热机械加工后β基体中预先位错主要是具有平面应力场的刃位错，这导致形成平行的α'马氏体簇而不是孪晶马氏体。因此，如何工程化构筑纳米孪晶结构马氏体，并提高马氏体的本征强度，是获取高强-塑/韧性良好匹配钛合金面临的难题。

针对上述问题，西安交通大学孙军院士和张金钰教授团队提出了一种间隙O纳米孪晶马氏体设计策略，在Ti-Cr-Zr-Al马氏体钛合金中有意掺杂高达0.5%(w)的间隙O，利用间隙原子-位错交互作用显著扭曲热机械加工预先引入刃位错的平面应力场，使其转变为非平面应力场，促使多个马氏体变体沿富O的刃位错线同时形核，从而构筑出间隙O强化的纳米孪晶α'马氏体新型微观结构。借助富O位错线原位相变形成的纳米孪晶马氏体可以吸收β基体中的氧原子来抑制界面处的氧偏析，进而提高钛合金抗氧脆能力。该策略结合了间隙强化、共格α'/α'孪晶界和共格α'/β'相界面的优点，赋予高氧钛合金超高应变硬化能力，其比韧性高达800 MPa·g^-1·cm³，约为同等强度钛合金的10倍。此外，该合金可以利用低等级海绵钛、残钛回收过程中高氧含量的剩余钛料或氧含量高的加工“废料”进行生产，带来巨大的降本空间。该研究为钛合金工业生产设计低成本、高性能的高氧耐受性钛合金提供了新的见解。

图1  基于O-位错交互作用形成的纳米孪晶马氏体Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金的分子动力学模拟和相应的微观结构

图2  间隙氧强化的纳米孪晶马氏体Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金水冷后的室温力学性能与商业Ti-6Al-4V合金、马氏体钛合金、高强钛合金、增材制造钛合金、(α+β)+O钛合金、β+O钛合金和粉末冶金+O钛合金的力学性能、比强度和比韧性对比