鈦及鈦合金粉末冶金制備技術(shù)在新型合金成分設(shè)計(jì)、組織均勻調(diào)控、近終形制備及產(chǎn)品穩(wěn)定性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，高活性鈦粉極易受間隙氧元素污染，導(dǎo)致其粉末冶金制件力學(xué)性能嚴(yán)重惡化。鈦合金（如Ti6Al4V）一般對(duì)氧的臨界容忍含量為 0.33 wt.%，一旦超出其塑性大幅下滑。因此，如何解決高氧鈦粉的氧脆化問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)其在高性能粉末冶金鈦制件應(yīng)用的關(guān)鍵。

近日，北京科技大學(xué)路新教授團(tuán)隊(duì)提出了鈣系化合物原位固氧提升高氧鈦制件強(qiáng)塑性的新方法，相關(guān)工作在金屬材料頂刊Acta Materialia上發(fā)表了題為“Achieving synergy of strength and ductility in powder metallurgy commercially pure titanium by a unique oxygen scavenger”的研究論文，論文第一作者為潘宇副教授，通訊作者為路新教授。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119485

該工作首先揭示了高氧鈦粉中氧雜質(zhì)元素的存在形式，一部分氧以間隙固溶形式存在基體中，另一部分氧以連續(xù)氧化膜形式存在粉末表面，TEM和XPS結(jié)果證實(shí)粉末表面存在一層由TiO₂、Ti₂O₃和TiO組成的連續(xù)氧化膜，厚度約為 9.3 nm，且該氧化膜在700~800 ℃開始向鈦基體中大量溶解。為了避免間隙氧固溶對(duì)鈦制件力學(xué)性能的惡化，提出在粉末表面氧化膜溶解前實(shí)現(xiàn)吸附固氧，探明了氧吸附劑CaC₂與鈦粉表層氧化膜的反應(yīng)相變機(jī)制。氧吸附劑CaC₂與氧化膜的反應(yīng)溫度為 617~676 ℃，抑制間隙氧固溶的同時(shí)在鈦基體中原位生成納米CaTiO₃和微米TiC顆粒，有效細(xì)化了組織晶粒。氧吸附劑對(duì)鈦基體的“固氧凈化”作用大幅提升其室溫塑性，同時(shí)衍生的多級(jí)多尺度陶瓷相顆粒產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化、Orowan強(qiáng)化、承載強(qiáng)化等有效提升了鈦制件的力學(xué)強(qiáng)度。因此添加了0.4 wt.%CaC₂的鈦制件在4000ppm高氧含量條件下，其室溫延伸率仍高達(dá)29.3%，抗拉強(qiáng)度也達(dá)到 621 MPa，遠(yuǎn)優(yōu)于ASTM-B381鍛造鈦合金標(biāo)準(zhǔn)中同等氧含量的鈦制件力學(xué)性能指標(biāo)（15%和550 MPa）。本研究揭秘了高氧條件下高強(qiáng)塑粉末冶金鈦制件的性能改善機(jī)制，對(duì)于推進(jìn)鈦合金領(lǐng)域低成本化應(yīng)用進(jìn)程具有重要意義。

圖1 (a) 原料鈦粉SEM圖; (b) 鈦粉表面氧化膜TEM圖; (c) 氧化膜元素面掃; (d)表面氧化膜HRTEM圖; (e) 藍(lán)框區(qū)域FFT圖；(f) 紅框區(qū)域IFFT圖；(g) 原料鈦粉XPS分析。

圖2 CP-Ti和Ti-xCaC₂合金的XRD分析(a-b)和EBSD分析(c-h)；CP-Ti(c,f)，Ti-0.4CaC₂(d,g)和Ti-1.0CaC₂(e,h)的IPF圖和晶粒統(tǒng)計(jì)圖。

 圖3 Ti-0.4CaC₂合金的TEM分析：(a) 明場(chǎng)圖; (b-e) 點(diǎn)1-3的SAED衍射圖; (d) 元素點(diǎn)掃圖; (f) 元素面掃圖; (g)衍生CaTiO₃顆粒的高倍明場(chǎng)圖; (h) 相界面HRTEM圖。

 圖4 Ti-0.4CaC₂合金晶界處和含鈣氧化物顆粒位置的APT分析：(a) Ti, Ca, O和C原子分布圖; (b,c) 晶界和氧化物顆粒元素線掃圖；(d) Ca、O原子三維重構(gòu)圖。

圖 5. (a) CP-Ti和Ti-xCaC2合金的室溫拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線; (b) 拉伸數(shù)據(jù)綜合對(duì)比; CP-Ti(c)、Ti-0.2CaC2(d)和Ti-1.0CaC2(e-f)合金的拉伸斷口分析。

【作者簡(jiǎn)介】

通訊作者：

路新，北京科技大學(xué)教授，博導(dǎo)，全國(guó)五一巾幗標(biāo)兵，國(guó)家重大人才工程計(jì)劃入選者，國(guó)家優(yōu)秀青年基金獲得者，全國(guó)黃大年式教師團(tuán)隊(duì)核心成員。兼任《粉末冶金技術(shù)》期刊副主編、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)常務(wù)理事。以第一完成人獲中國(guó)有色金屬工業(yè)科技發(fā)明一等獎(jiǎng)等行業(yè)科技獎(jiǎng)6項(xiàng)。先后主持國(guó)家級(jí)、省部級(jí)及產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目80余項(xiàng)，發(fā)表論文150余篇，制定標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)，出版專著2部，申獲國(guó)家專利60余項(xiàng)，10項(xiàng)產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)讓。個(gè)人獲北京市優(yōu)秀德育工作者、北京市教書育人先鋒、中國(guó)冶金青年科技獎(jiǎng)、杰出工程師青年獎(jiǎng)、全國(guó)有色金屬優(yōu)秀青年科技獎(jiǎng)、首都女教授“科技之星”等多項(xiàng)榮譽(yù)。

第一作者：

潘宇，北京科技大學(xué)特聘副教授，碩導(dǎo)，國(guó)家博新計(jì)劃入選者。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目、北京科技大學(xué)人才引進(jìn)項(xiàng)目等；以一作/通訊于Acta Mater., Corros. Sci., J. Mater. Sci. Technol.等國(guó)內(nèi)外高水平期刊發(fā)表SCI論文26篇，申獲國(guó)家發(fā)明專利40余項(xiàng)，美國(guó)/歐洲專利2項(xiàng)，已授權(quán)26項(xiàng)；出版專著2部，編制標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。獲教育部技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)“發(fā)明創(chuàng)新”一等獎(jiǎng)、中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士論文、北京科技大學(xué)“校長(zhǎng)獎(jiǎng)?wù)?rdquo;等多項(xiàng)榮譽(yù)。