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金屬所頂刊：新型合金設(shè)計思路！實現(xiàn)超穩(wěn)定納米尺寸晶粒

2022-04-25 14:11:36 作者：材料基來源：材料基分享至：

導(dǎo)讀：將晶粒細化到納米級可以大大提高金屬的強度。但納米結(jié)構(gòu)金屬的應(yīng)用受限于其復(fù)雜的制造技術(shù)和較差的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。中科院金屬所提出一種簡單的工藝，即“共析元素合金化→淬火→熱變形”（EQD）策略。該策略能夠大規(guī)模生產(chǎn)晶粒尺寸為95±32nm的Ti6Al4V5Cu（wt.%）合金（α-Ti）。此外，Ti2Cu和β相沿晶界快速共沉淀形成“雙相蜂窩殼”（DPHS）結(jié)構(gòu)，有效地穩(wěn)定了α晶粒。室溫拉伸強度接近1.52±0.03GPa，在不犧牲延展性的情況下，比Ti6Al4V高60%。此外，923 K下的伸長率超過1000%。為制造納米結(jié)構(gòu)材料開辟了一條新途徑，并且在其他合金系統(tǒng)中也具有巨大的應(yīng)用潛力。

納米結(jié)構(gòu)金屬材料表現(xiàn)出超高的強度和硬度。然而，較高的晶界體積分數(shù)為晶粒粗化提供了強大的驅(qū)動力。在大多數(shù)納米結(jié)構(gòu)金屬中，在0.25~0.4Tm的溫度范圍內(nèi)觀察到顯著的晶粒生長（Tm為熔點）。即負載條件下，納米結(jié)構(gòu)材料的穩(wěn)定性進一步降低。例如，納米結(jié)構(gòu)的純Al和Ni，在室溫下的塑性變形過程中觀察到晶粒生長，此種熱和機械不穩(wěn)定性嚴重限制了納米結(jié)構(gòu)金屬材料的應(yīng)用。

廣泛的研究表明，納米結(jié)構(gòu)可以通過熱力學(xué)或動力學(xué)策略來穩(wěn)定。在熱力學(xué)上，通過溶質(zhì)偏析降低晶界能，降低晶粒粗化的驅(qū)動力。例如在Ni-W、Co-P和Ni-Fe合金。此外，在純Cu或Ni中使用小角度晶界或雙邊界結(jié)構(gòu)也可以穩(wěn)定納米結(jié)構(gòu)。在動力學(xué)上，晶粒粗化的驅(qū)動力可以通過釘扎晶界的沉淀顆粒來抵消。例如，Cu-Ta合金。當熱力學(xué)和動力學(xué)策略結(jié)合在一起時，納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可以進一步增強。然而，這需要一種更巧妙的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計策略，不僅應(yīng)采用低能界面，還應(yīng)在低能界面上引入熱穩(wěn)定的第二相。

中科院金屬所基于Ti6Al4V5Cu合金，開發(fā)了一種雙相蜂窩殼（DPHS）納米結(jié)構(gòu)。等軸納米顆粒類似于蜂窩中的隔室，完全封裝在薄的雙相殼中。熱穩(wěn)定性差的大角度晶界被低能相界所取代，以熱力學(xué)穩(wěn)定納米結(jié)構(gòu)。此外，雙相殼中生長相受到另一相的約束，因此殼本身具有較高的穩(wěn)定性。當納米結(jié)構(gòu)暴露于高溫或塑性變形時，穩(wěn)定的殼結(jié)構(gòu)可以在納米顆粒上施加有效的釘扎力以在動力學(xué)上穩(wěn)定納米結(jié)構(gòu)。此項研究發(fā)表在Nature Communications上，題目為“Manufacture-friendly nanostructured metals stabilized by dual-phasehoneycomb shell”。鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117868

圖1 （a）雙相蜂窩殼（DPHS）納米結(jié)構(gòu)；（b）不穩(wěn)定溫度與平均晶粒尺寸。用電沉積嚴重塑性變形熱機械處理表面機械磨損和機械合金化處理的金屬的文獻數(shù)據(jù)。誤差棒表示測量晶粒尺寸的標準偏差。（c）拉伸強度與伸長率；（d）923K時的應(yīng)力與應(yīng)變曲線，展示了Ti6Al4V5Cu合金的超塑性

圖2 （a）透射電子顯微鏡所制備的Ti6Al4V5Cu合金的大角度環(huán)形暗場（HAADF）。（b）X射線能量色散光譜（XEDS）分析。（c）共析元素合金化、淬火和熱變形（EQD）策略的示意圖。（d）淬火后材料的（XRD）。（e） βcos（θ）與sin（θ）關(guān)系曲線。晶格應(yīng)變ε和晶疇尺寸D由曲線的斜率和截距確定。誤差條表示測量的βcos（θ）值。（f）淬火后材料的TEM明場。（g）變形材料的IPF（壓縮方向）。

圖3 （a）Ti6Al4V5Cu樣品在不同溫度下退火的IPF圖，為簡潔起見，僅顯示了α相的IPF圖，圖中表示壓縮方向（CD）。（b）HRTEM顯示α/Ti2 Cu/β相的低錯配取向關(guān)系。（c）為第一原理計算的界面結(jié)構(gòu)模型。（d）Ti6Al4V5Cu樣品在973K退火后的極圖，保留了初始的低能取向關(guān)系。（e）對Ti6Al4V5Cu樣品APT分析，銅濃度梯度表明Ti2 Cu/β殼可以快速形成。（f） 923K/1h退火Ti6Al4V5Cu樣品的APT分析。（e）和（f）中的誤差線表示測量的Al、V、Cu含量的標準偏差。

圖4 在 923 K 拉伸試驗中對基準標記樣品進行的原位SEM

此研究展示了一種低成本EQD策略，構(gòu)建出DPHS納米結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)超穩(wěn)定納米尺寸晶粒。有效克服了金屬塊狀成型工藝中保留納米級晶粒的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。此外，EQD策略也適用于其他共析合金系統(tǒng)。例如，制造了具有DPHS納米結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定性Ti15Zr7Cu合金。此報道具有可以擴展到其他合金系統(tǒng)的前景，例如合金鋼，促進了大型納米結(jié)構(gòu)金屬材料的大規(guī)模應(yīng)用。

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