西安交通大學孫軍院士團隊Nature子刊：分層納米馬氏體策略！制備低成本超強韌鈦合金！
2022-10-26 14:58:01
作者：材料學網 來源：材料學網
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導讀：由于晶界的低熱穩定性，晶界工程（GBE）對可實現的微觀結構的細度和類型有一定的限制，而獨特的化學界面工程（CBE）使我們能夠創造出具有超細層次的異質微觀結構的金屬材料，以提高材料的機械性能。本文使用低成本的可變質Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al（wt%）合金作為模型材料，通過Cr和Al合金元素之間的顯著擴散失配來創造高密度的化學邊界（CB），以構建平均厚度為~20納米的分層納米馬氏體。對于這種可變質的鈦合金，明顯增強的屈服強度源于密集的納米馬氏體界面強化，同時，大的延展性歸因于分層的三維α'/β層在等軸原生α（αp）結核協助下的多階段應變硬化。分層納米馬氏體工程策略使我們的合金具有理想的強度和延展性組合，這有可能應用于許多可轉化的合金，并揭示了超強韌性結構材料的微結構設計的新目標。可變質合金中的馬氏體相變，如鈦（Ti）合金、鋼和多成分合金，可以實現以下一個甚至兩個關鍵好處：由于雙相顯微結構（由于高溫相的熱穩定性降低）導致的界面硬化和轉化引起的硬化（由于室溫相的力學穩定性降低）。在合金中，應力驅動的馬氏體轉變，往往使屈服強度（σy）低16,17，使極限抗拉強度（σUTS）、加工硬化率（θ）和失效伸長率（εf）明顯增強，稱為轉變誘導塑性（TRIP）效應。一般來說，馬氏體硬化是由霍爾-佩奇(like)關系所決定的，因此預計在微觀結構中設計納米馬氏體，以加強和延展合金的優良機械性能。高比強度的鈦合金可以被設計成大εf的高σy，是輕質的重要結構材料。原則上，雙相鈦合金的非凡機械性能是通過調節晶界（GB）和異相界（PB）的數量或排列來調整的，例如，α/β界面，這是合金中的平面不連續。由等軸的初級α（αp）結核和嵌入β基體中的次級α（αs）層狀物組成的雙相微觀結構使Ti合金具有良好的平衡特性。除了擴散（β-α）轉變，PB可以通過無擴散位移（β-α'）轉變引入，這取決于冷卻速度和化學成分。PBs的密度或馬氏體α'的大小可以通過化學邊界（CBs）的密度來調整，化學邊界是由晶格連續區域內至少一種元素濃度的急劇不連續所定義的，因為高溫下的CBs可以限制馬氏體的生長以實現微觀結構的精細化。最近在Ti-4Mo和Ti-6Al-4V合金中的研究結果表明，當微觀結構由微米和亞微米規模的α'和初級α相組成時，它們表現出明顯增強的拉伸性能。然而，可變質的雙相鈦合金（含有微馬氏體），例如Ti-6Al-4V合金，往往遭受相對較低的σy，約為1100 MPa或甚至更低。因此，通過CB工程（CBE）策略，設計一種具有高屈服強度σy和延展性的納米馬氏體強化的Ti合金是可取的。在這項工作中，西安交通大學孫軍等人通過調整β穩定劑Cr的濃度來調整高溫下CBs的密度，從而調節低成本的Ti-xCr-4.5Zr-5.2Al（x=1.8、2.3和2.8 wt%）合金的后續相變行為。利用CBE策略，我們創造了迄今為止報告的最細小的納米馬氏體，實現了馬氏體鈦合金的最高屈服強度和極大的延展性。與經歷空氣冷卻（AC，σy ~981 MPa和εf ~22.8%）的鍛造合金相比，這種具有20納米厚的納米馬氏體的分層結構的WQ Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金表現出超高的強度σy ~1266 MPa和巨大的延展性εf ~12.6%。相關研究成果以題：“Hierarchical nano-martensite-engineered a low-cost ultra-strong and ductile titanium alloy”發表在著名期刊Nature上 鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33710-1 a BCC-Ti和HCP-Ti基體中的Cr和Al元素分別隨溫度變化的擴散率D。b BCC-Ti和HCP-Ti基體中的Cr和Al元素分別隨溫度變化的擴散距離L/秒。a 掃描TEM(STEM)圖像顯示βtrans(αs + β)+αp的結構。e 高分辨率(HR)TEM和相應的快速傅里葉變換(FFT)圖像顯示了與錯位位錯相關的β/αs界面。f 通過反FFT過濾得到的[21-1]β晶格條紋顯示了αs/β界面的錯位位錯。a 暗場TEM圖像顯示了由βtrans（α'+β）+αp組成的微觀結構。 b, c APT表征顯示了Ti-Cr-Zr-Al合金中的元素分布。d HR-TEM圖像顯示納米尺寸α′，?19.2 nm。e d的相應區域的HR-TEM圖像，顯示β/α'相邊界。f, g WQ 樣本中α'和β相的分布。f 中的插頁是WQ 樣品中分布的αp的顆粒。h 目前Ti-xCr-4.5Zr-5.2Al (x = 1.8, 2.3, 2. 8)合金和其他報道的馬氏體Ti合金的α′厚度的比較。包括Ti-4Mo5，Ti-5Al-3Mo-1.5V37，SLM-TC4，As-HIP′ed TC46，TC4（previous-β grain），Ti-V-（Al，Sn）系列，和Ti-V-Sn系列。誤差條代表標準偏差。a 工程應力-應變曲線。b本Ti合金的抗拉強度和總伸長率，以及c本Ti合金的屈服強度和總伸長率與迄今報道的其他高強度α'/β-Ti合金的比較。d本Ti合金的比屈服強度和生產成本與其他報道的高強度α'/β-Ti合金的比較。a1-a6, c1-c6, e1-e6, g1-g6 不同冷卻速率后的相應結構域。b1-b6, d1-d6, f1-f6, h1-h6 不同冷卻速率后的成分域，淺藍色和近紅色分別代表貧鉻域和富鉻域。色條指的是鉻濃度（wt.%），不同的顏色區分了鉻耗盡區（淺藍色）和鉻富集區（近紅色）。傳統成核和生長機制形成的α核的結構順序參數（a）和濃度（b）的演變。由馬氏體機制形成的α'核的結構順序參數（c）和濃度（d）的演變。由馬氏體轉變機制形成的α'核的結構順序參數（e和g）和濃度（f和h）的演變。a1-a4 AC Ti合金的拉伸試驗在三個臨界階段中斷。a1 TEM圖像顯示αp相中的位錯，第一階段。b1-b4 WQ Ti合金的拉伸試驗在三個關鍵階段被打斷。b1 TEM圖像顯示αp相中的位錯，階段I。b3, b4 明視場和HR-TEM圖像顯示位錯可以穿過α'/β界面，導致局部剪切，階段III。均勻伸長率（εU）是根據Consider's criterion確定的。a, b WQ樣品。a斷裂表面的SEM圖像顯示αp/β和αs/β界面上的空隙。bAC樣品的整個斷裂表面的投影。b1斷裂表面的放大圖像顯示均勻的凹痕和空隙。c, d AC樣品。c斷裂表面的SEM圖像顯示裂紋在α'/β界面的傳播和偏移。dAC樣品整個斷裂表面的投影。顯然，與迄今為止報道的其他雙相α'/β-鈦合金相比，我們的Ti-Cr-Zr-Al合金表現出更好的強度和延展性組合。特別是，前所未有的高強度（σy ~1266 MPa和σUTS ~1413 MPa）使目前的Ti-Cr-Zr-Al WQ合金有別于所有報道的α'/β-Ti合金，一般來說，這些合金要么強度低，要么延展性低（或者兩者都低）。換句話說，WQ合金顯示出最高的強度和拉伸延展性，即強度和延展性的優秀組合。事實上，σUTS和εf的乘積，通常作為斷裂韌性的良好指標，在18GPa%至27GPa%的范圍內或目前的Ti-Cr-Zr-Al合金，遠遠高于上述大多數報道的Ti合金。似乎我們的合金與報道的合金相比，同時突出了最高的SYS和最低的生產成本。鑒于熱力學加工的便利性和簡單的熱處理，預計這種低成本、超強韌性的Ti-Cr-Zr-Al合金可以在更多的行業中擴大其應用。
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