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Nat. Commun.：西安交大孫軍團隊在低成本高強韌鈦合金設計方面取得新進展
來源：西安交通大學 2022-10-13
導讀：近日，西安交大孫軍團隊在低成本高強韌鈦合金設計方面取得新進展，團隊提出的化學界面工程設計策略突破了鈦合金原有微觀組織/合金成分設計理念和熱機械加工方法的局限，為設計高性能先進鈦合金和其它具有類似特性的金屬結構材料提供了新的思路。
高比強度鈦合金是實現(xiàn)節(jié)能減排以及輕量化的重要結構材料，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)化其宏觀力學性能，例如調(diào)控鈦合金中晶格不連續(xù)的α/β相界面結構與特性可顯著提升合金的力學性能。對鈦合金來說，除了擴散(β→α )相變外，還可以通過快速冷卻條件下的無擴散位移轉變(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現(xiàn)兩個關鍵優(yōu)勢：一方面，通過快冷驅動相變（高溫相的熱穩(wěn)定性降低）構建雙相微觀結構而產(chǎn)生界面硬化；另一方面，通過力致相變誘導硬化（室溫相的機械穩(wěn)定性降低），通常表現(xiàn)為較低的屈服強度，但較高的加工硬化能力和斷裂延伸率，即相變誘導塑性效應。一般來說，馬氏體強化符合經(jīng)典的Hall-Petch關系，因此，人們期望在微觀組織中設計納米馬氏體，以強化合金并維持合理的延展性，從而獲得優(yōu)異的力學性能。然而，由于鈦合金中尺寸為幾十甚至幾百微米的較大β晶粒往往會形成微米級和亞微米級的馬氏體片層，導致相界面密度低而屈服強度不高。因此，利用晶界工程(GBE)構建具有精細微觀組織的高強韌鈦合金仍然是一個挑戰(zhàn)。針對上述問題，西安交大金屬材料強度國家重點實驗室孫軍院士團隊提出了采用化學界面工程(CBE)制造納米馬氏體的新策略，不同于以往使用傳統(tǒng)熱機械加工方法的晶界工程。團隊基于高溫下合金元素之間顯著的擴散失配可以構筑高密度化學界面（CBs，定義為在晶格連續(xù)區(qū)域內(nèi)至少一個元素存在濃度梯度的不連續(xù)）的設計思想，考慮不同合金元素在BCC-Ti和HCP-Ti基體中的擴散速率差異，選用低成本快擴散元素Cr和慢擴散元素Al，以Ti-xCr-4.5Zr-5.2Al（x= 1.8, 2.3, 2.8 wt.%）合金作為模型材料，通過快擴散元素Cr調(diào)控化學界面的密度。高溫狀態(tài)下Cr和Al元素的擴散失配形成高密度CBs，這些CBs可以將每個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（結構轉變）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，而化學界面則作為馬氏體長大的壁壘，限制其快速生長?；贑BE理念，團隊在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，該鈦合金具有當前報道的所有馬氏體鈦合金材料中最低成本、最高的比強度以及優(yōu)異的強塑性匹配（如圖2），具有良好的應用前景。團隊提出的化學界面工程設計策略突破了鈦合金原有微觀組織/合金成分設計理念和熱機械加工方法的局限，為設計高性能先進鈦合金和其它具有類似特性的金屬結構材料提供了新的思路。圖1. 多層級納米馬氏體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性能與已報道的馬氏體鈦合金材料的力學性能、原料成本對比該研究成果以《層級納米馬氏體構造的低成本超高強塑鈦合金》（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）。西安交通大學材料學院博士生張崇樂、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，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗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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