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Nat. Commun.：西安交大孫軍團(tuán)隊(duì)在低成本高強(qiáng)韌鈦合金設(shè)計(jì)方面取得新進(jìn)展
來源：西安交通大學(xué) 2022-10-13
導(dǎo)讀：近日，西安交大孫軍團(tuán)隊(duì)在低成本高強(qiáng)韌鈦合金設(shè)計(jì)方面取得新進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)提出的化學(xué)界面工程設(shè)計(jì)策略突破了鈦合金原有微觀組織/合金成分設(shè)計(jì)理念和熱機(jī)械加工方法的局限，為設(shè)計(jì)高性能先進(jìn)鈦合金和其它具有類似特性的金屬結(jié)構(gòu)材料提供了新的思路。
高比強(qiáng)度鈦合金是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排以及輕量化的重要結(jié)構(gòu)材料，可通過調(diào)節(jié)晶界(GBs)和異相界面(PBs)的密度和空間分布特征優(yōu)化其宏觀力學(xué)性能，例如調(diào)控鈦合金中晶格不連續(xù)的α/β相界面結(jié)構(gòu)與特性可顯著提升合金的力學(xué)性能。對(duì)鈦合金來說，除了擴(kuò)散(β→α )相變外，還可以通過快速冷卻條件下的無擴(kuò)散位移轉(zhuǎn)變(β→α′)在鈦合金中引入高密度PBs。鈦合金中的馬氏體相變可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：一方面，通過快冷驅(qū)動(dòng)相變（高溫相的熱穩(wěn)定性降低）構(gòu)建雙相微觀結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生界面硬化；另一方面，通過力致相變誘導(dǎo)硬化（室溫相的機(jī)械穩(wěn)定性降低），通常表現(xiàn)為較低的屈服強(qiáng)度，但較高的加工硬化能力和斷裂延伸率，即相變誘導(dǎo)塑性效應(yīng)。一般來說，馬氏體強(qiáng)化符合經(jīng)典的Hall-Petch關(guān)系，因此，人們期望在微觀組織中設(shè)計(jì)納米馬氏體，以強(qiáng)化合金并維持合理的延展性，從而獲得優(yōu)異的力學(xué)性能。然而，由于鈦合金中尺寸為幾十甚至幾百微米的較大β晶粒往往會(huì)形成微米級(jí)和亞微米級(jí)的馬氏體片層，導(dǎo)致相界面密度低而屈服強(qiáng)度不高。因此，利用晶界工程(GBE)構(gòu)建具有精細(xì)微觀組織的高強(qiáng)韌鈦合金仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。針對(duì)上述問題，西安交大金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫軍院士團(tuán)隊(duì)提出了采用化學(xué)界面工程(CBE)制造納米馬氏體的新策略，不同于以往使用傳統(tǒng)熱機(jī)械加工方法的晶界工程。團(tuán)隊(duì)基于高溫下合金元素之間顯著的擴(kuò)散失配可以構(gòu)筑高密度化學(xué)界面（CBs，定義為在晶格連續(xù)區(qū)域內(nèi)至少一個(gè)元素存在濃度梯度的不連續(xù)）的設(shè)計(jì)思想，考慮不同合金元素在BCC-Ti和HCP-Ti基體中的擴(kuò)散速率差異，選用低成本快擴(kuò)散元素Cr和慢擴(kuò)散元素Al，以Ti-xCr-4.5Zr-5.2Al（x= 1.8, 2.3, 2.8 wt.%）合金作為模型材料，通過快擴(kuò)散元素Cr調(diào)控化學(xué)界面的密度。高溫狀態(tài)下Cr和Al元素的擴(kuò)散失配形成高密度CBs，這些CBs可以將每個(gè)β晶粒分割成大量的貧Cr和富Al納米域。在隨后水冷過程中，馬氏體（結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變）更容易在這些富Al或貧Cr納米域中形核，即這些富含Al或貧Cr的納米域作為納米馬氏體形核位點(diǎn)，而化學(xué)界面則作為馬氏體長大的壁壘，限制其快速生長。基于CBE理念，團(tuán)隊(duì)在Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金中成功地創(chuàng)造了迄今為止最小尺寸的納米馬氏體（平均尺寸為20± 6nm，如圖1）。與此同時(shí)，該鈦合金具有當(dāng)前報(bào)道的所有馬氏體鈦合金材料中最低成本、最高的比強(qiáng)度以及優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配（如圖2），具有良好的應(yīng)用前景。團(tuán)隊(duì)提出的化學(xué)界面工程設(shè)計(jì)策略突破了鈦合金原有微觀組織/合金成分設(shè)計(jì)理念和熱機(jī)械加工方法的局限，為設(shè)計(jì)高性能先進(jìn)鈦合金和其它具有類似特性的金屬結(jié)構(gòu)材料提供了新的思路。圖1. 多層級(jí)納米馬氏體Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金水冷后的微觀組織與成分分布圖2. 多層級(jí)納米馬氏體Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金水冷和空冷后的室溫力學(xué)性能與已報(bào)道的馬氏體鈦合金材料的力學(xué)性能、原料成本對(duì)比該研究成果以《層級(jí)納米馬氏體構(gòu)造的低成本超高強(qiáng)塑鈦合金》（Hierarchical nano-martensite-engineered a low-cost ultra-strong and ductile titanium alloy）為題日前發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士生張崇樂、碩士畢業(yè)生包翔云、陳威副教授和前沿院郝夢(mèng)園博士生為論文共同第一作者，孫軍院士和張金鈺教授為論文共同通訊作者。該工作的合作者還包括劉剛教授和王棟教授，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是該論文的唯一通訊單位。參考資料:http://news.xjtu.edu.cn/info/1004/187688.htm
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