導讀：間質溶質（例如O，N）通?？梢栽鰪姀姸?，但是，它們也導致鈦（Ti）合金的延展性顯著降低甚至脆化。因此，使用不可避免的間隙O和N原子來獲得具有超高比強度的低成本、韌性Ti合金對于工業應用具有重要意義。本文以Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N（wt.%）合金為模型材料，通過微米級初級α、納米級次級α和超細α-Widmanst tten納米沉淀在β基體中，成功地獲得了高達1800 MPa的超高屈服強度。

具有高延展性的超強合金對于解決輕量化的關鍵挑戰至關重要，這使得高比強度鈦（Ti）合金成為航空航天和軍事工業中使用的最有前途的材料。Ti合金的高成本是大多數工程應用的障礙。除了原材料的成本外，這些間質溶質，例如O和N，推動了加工和制造中凈化成本的增加，以避免其對機械性能的毒害作用，例如氧脆化（通常與晶界（GB）開裂有關）。另一方面，微觀結構敏感設計是實現低成本、超強和韌性Ti合金的更好途徑。在這些晶格缺陷中，GB和異質相邊界（PB）在通過所謂的晶界工程（GBE）調整合金的機械性能方面特別有效，例如，調節GB/PB的數量或排列。

由于Ti合金的GB相關性能受到在熱負荷下GB的不穩定性（低熱穩定性/高遷移率）的限制，因此目前，實現高強度和韌性Ti合金的流行策略是在β-基體中構建分層α納米結構，通過引入豐富的PBs，可以顯著提高強度，加工硬化能力和延展性。通常，位錯克服障礙物所需的臨界應力與障礙物的平均間距成反比，獲得微結構中具有較小平均顆粒間距的納米沉淀一直是人們追求的目標，從而可以增強甚至延展/韌化合金。

實際上，鈦合金中GB缺陷的處理，特別是利用這些間隙雜質，是值得關注的，因為它為提高強度-延性組合提供了另一個自由度。力學上，連續富集α-GBs的α-穩定劑（如O和N元素）強度低于沉淀硬化的β-基體，這導致α-GBs與轉化β-基體（βtrans）強度不匹配，具有明顯的應變不親和性，從而導致低延性，這是由晶間斷裂和強度大散射引起的。最近，為了緩解連續αGBs對β - c合金力學性能（特別是延性）的不利影響，通過微量c摻雜和冷加工，在β-c合金中發展了一種不連續α結構。使用透鍛，也可以實現類似的結構，以提高Ti-1023合金的強度-塑性平衡。抑制連續αGBs可以提高鈦合金的延展性和韌性。

因此，有必要設計一種能提高間質耐雜Ti合金的GB力學穩定性，同時提高強度和延性的微觀組織設計，以獲得更好的抗斷裂性能。西安交通大學張金鈺教授團隊受Ti基復合材料中與GB相關的增強網絡微觀結構的啟發，設計了直接由β-GB開發的新型納米級α-Widmanst tten側板（αWGBs）來應對這一挑戰。在鈦合金中，αWGBs相與基體的應變相容性優于常規粗結構Widmanst tten相，能有效鈍化裂紋尖端，從而阻止裂紋擴展。特別是在鈦合金的加工和制造過程中有意或自然加入的間隙（O, N）原子，往往對合金的力學性能有害，充分利用這些間隙（O, N）原子來設計滲透αWGBs網絡，以抑制αGBs，提高GB的內聚力和應變相容性。結果表明，采用由微米級初生α相（αp）、納米級初生α相（αs）和αWGBs納米板組成的新型非均質組織，制備了低成本、韌性好的Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N（Ti-1800）合金，獲得了高達1780 MPa的高屈服強度。

相關研究成果以題“Making a low-cost duplex titanium alloy ultra-strong and ductile via interstitial solutes”發表在Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422007881

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