晶界（GB）和相界（PB）是金屬晶體中的平面不連續(xù)性，可有效調(diào)節(jié)多晶合金的強(qiáng)度和韌性，而強(qiáng)度和韌性通常是相互排斥的兩個(gè)關(guān)鍵屬性。因此，GB工程，如調(diào)節(jié)GBs/PBs 的數(shù)量或排列，被廣泛用于設(shè)計(jì)超強(qiáng)、超韌的輕質(zhì)合金，如鈦（Ti）合金。然而，鈦合金所能達(dá)到的微結(jié)構(gòu)細(xì)度和類型是有限的，因?yàn)橐坏┍┞对跓嶝?fù)荷下，其晶粒就會(huì)迅速粗化。因此，這些具有相對(duì)較高 GB 能量的晶體界面的高流動(dòng)性限制了 GB 相關(guān)性能的進(jìn)一步提高。通過密集分散的 α 納米沉淀強(qiáng)化的高強(qiáng)度雙相鈦合金面臨著強(qiáng)度-韌性權(quán)衡的困境，因?yàn)橐晕诲e(cuò)堆積形式存在的半相干 α/β PB 的應(yīng)變（幾何）不相容性會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的斷裂應(yīng)力集中，從而降低材料的延展性和韌性。一旦移動(dòng)位錯(cuò)穿過高能 α/β PBs（形成位錯(cuò)通道），鈦合金中一般會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變局部化，并伴有應(yīng)變軟化行為。因此，如何設(shè)計(jì)微觀結(jié)構(gòu)，特別是 PB，以同時(shí)提高雙相鈦合金的強(qiáng)度和韌性，是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119540

為了獲得超強(qiáng)、超韌的鈦合金，本研究基于 "d 電子理論"，根據(jù) β 穩(wěn)定劑 Cr 的含量來調(diào)整 β 基體的穩(wěn)定性，以創(chuàng)建具有分層相干 α′/β 界面的自組裝有序納米金剛砂。這種成分設(shè)計(jì)旨在確保經(jīng)過簡(jiǎn)便的水淬工藝（WQ）后，可生成厚度 λ < 50 nm 的硬位錯(cuò)結(jié)構(gòu) α′ 納米敏化劑，而非軟 α′′ 相。除了降低合金成本外，選擇 Al、Cr 和 Zr 元素作為合金元素主要是為了提高 Ti 合金的強(qiáng)度和耐腐蝕性，并具有良好的熱穩(wěn)定性。經(jīng)過精心調(diào)整合金成分，使鉻含量從1.8 到 3.8 wt.%，獲得了具有超高比強(qiáng)度和超強(qiáng)韌性的低成本、韌性 α′ 納米馬氏體 Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al (wt.%) 合金。

圖 1. Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金的熱機(jī)械加工方案，以及顯示微觀結(jié)構(gòu)演變的示意圖。顯示不同階段微觀結(jié)構(gòu)特征的 Ti-2.8Cr-4.5Zr-2.5Al 合金透射電子顯微鏡（TEM）圖像。

圖 2. WQ Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金的顯微組織特征。(a1) 暗視野透射電子顯微鏡 (DF-TEM) 圖像和示意圖顯示了由 β 和 α′片層組成的β-transus 微觀結(jié)構(gòu)。示意圖顯示了分級(jí)有序α′-馬氏體組織的顯微組織。(a2) 相應(yīng)的選區(qū)電子 (SAED) 圖案顯示了三種馬氏體變體。(a3-a4) 低倍率 HAADF-STEM 和相應(yīng)的 IFFT 顯微照片顯示，在 α′/β PB 處沒有與錯(cuò)位位錯(cuò)相關(guān)的額外平面，以及使用 (011)β 和 (0110)α&#39; 衍射點(diǎn)的 IFFT 顯微照片。(a3) 中的插圖是相應(yīng)的 FFT 模式。(a5) 高倍率HAADF-STEM 顯微照片顯示了傳統(tǒng)的“平臺(tái)-壁架”界面結(jié)構(gòu)，如白色虛線所示。(b1-b2) α′ 和 β 納米片層的元素分配和組成的 APT 表征。(c) WQ 樣品中 α′和 β 片層厚度的統(tǒng)計(jì)分布。(d) 目前 Ti-Cr-Zr-Al 合金和其他報(bào)道的馬氏體 Ti 合金的屈服強(qiáng)度與 α′厚度的關(guān)系，包括 Ti-4Mo、Ti-5Al-3Mo-1.5V、TC4 （原β晶粒）、Ti-V-(Al,Sn)系列、Ti-V-Sn系列、TC4傳統(tǒng)工藝（α+α′和全α′）、TC4 SLM (α′)、TC4 EBM (α′)和 TC4 SLM (β + α′)。

圖 3. 400AC Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al 合金的微觀結(jié)構(gòu)特征。(a1) BF-TEM 顯示了 α_p 和 α′_dec 相。(a2) β-transus 顯微結(jié)構(gòu)的 SAED 圖形顯示了三種馬氏體變體。(a3) HR-TEM 圖像顯示了 α′ 馬氏體內(nèi)部的 β 納米粒子。(a4）400AC 樣品中 β 層厚度的統(tǒng)計(jì)分布。(b1-b2）對(duì)400AC 樣品的元素分配和成分進(jìn)行的 APT 分析顯示，α′位錯(cuò)馬氏體中富含鈣的 β 納米粒子，如黑色箭頭所示。

圖 4. 500AC Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al 合金的微觀結(jié)構(gòu)特征。(a) DF-TEM 圖像顯示了大量次級(jí) α，用橙色箭頭表示。(b1-b2）BF-TEM 和相應(yīng)的DF-TEM 圖像顯示在分解的 α′ 片層中新形成的 α_s和 β 納米顆粒。還提供了相應(yīng)的鉻元素 EDS（插圖）。(c1) BF-TEM 圖像顯示了 500℃ 回火后的β-橫截面微觀結(jié)構(gòu)。(c2）相應(yīng)的DF-TEM 圖像顯示了先前的 β 分裂 β 二維小板和納米級(jí) β 顆粒。(c3）相應(yīng)的 EDS 圖譜顯示了 Ti、Al、Cr 和 Zr 的分布以及白色箭頭所示的貧化 Cr 區(qū)。(c4-c5）顯示了（c1）中標(biāo)記線的EDS 線分析。(c6）500AC 樣品中 β 顆粒直徑的統(tǒng)計(jì)分布。(c7) HR-TEM 圖像顯示了具有顯著晶格應(yīng)變的過渡區(qū)域。(c8) HR-TEM 圖像顯示過渡區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了新的α_s 相，α_s/β 與 BOR 的界面上出現(xiàn)了一些錯(cuò)配位錯(cuò)。

圖 5. 700AC Ti-2.8Cr-4.5Zr-2.5Al 合金的微觀結(jié)構(gòu)特征。(a) HAADF-STEM 圖像顯示了 β 和 α_s 納米薄片。(b) EDS 圖顯示了 Cr、Al、Ti 和 Zr 的分布。(c) TEM-EDS 沿 a 中白線線掃描獲得的 Cr、Al、Ti 和 Zr 濃度分布圖。(d-e) 700AC 樣品中 α_s 和 β 薄片厚度的統(tǒng)計(jì)分布。

圖 6. 本研究的Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al 合金的室溫機(jī)械性能。(a) 本研究的鈦合金在不同狀態(tài)下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) 本鈦合金的屈服強(qiáng)度與總伸長(zhǎng)率的對(duì)比，以及迄今為止報(bào)道的其他馬氏體α'和回火馬氏體α′鈦合金的屈服強(qiáng)度與總伸長(zhǎng)率的對(duì)比。馬氏體 α′ Ti 合金：包括 Ti-4Mo、Ti-5Al-3Mo-1.5V、Ti-V-（Al，Sn）系列、Ti-V-Sn 系列、Ti-4.5Al-（2.0-2.5）Fe-0.25Si、TC4（不同先β晶粒尺寸）和 TC4-SLM (α′) 系列；回火馬氏體 α′ Ti 合金（包括部分分解 α′ 相或完全分解 α′ 相）：TC4-SEBM、TC4-MA、TC4-傳統(tǒng)工藝、TC4-STA、TC4-SLM（α+β）、TC4-SLM（片狀α+β）、TC4-EBM（α′+β回火）和TC4-EBM 及 TC4-EDE、TC4-SLM（作為 HIP′ ed）。(c) 本研究的鈦合金與其他已報(bào)道的強(qiáng)α′/β鈦合金的比屈服強(qiáng)度與原材料成本的比較。

圖 7. 鈦-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金的斷裂特性。(a) WQ 樣品的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示了斷裂功的計(jì)算結(jié)果。(b) 本研究的鈦合金的斷裂功與屈服強(qiáng)度的比較，以及已報(bào)道的可蛻變鈦合金的斷裂功與屈服強(qiáng)度的比較。(c) 目前的 Ti-Cr-Zr-Al 合金在不同熱處理?xiàng)l件下的 J- 積分?jǐn)嗔芽沽η€。J-R 曲線由單邊彎曲試樣測(cè)得。(d) 本研究的合金與其他典型 α+β Ti 合金（包括 TC4 系列：（TC4-ELI 和TC4-F）和 TC4-DT、TC4-xFe（x = 0.1、0.3、0.5、0.7、0.9）、TC4（Widmanstätten、等軸和雙峰結(jié)構(gòu)）和 Ti-Al 系列：（Ti-6Al-2Mo-2Cr、Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe、Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe、Ti-7Al-4Mo、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Zr-2Sn-2Mo-1.5Cr-2Nb、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si 和Ti-5Al-2.5Fe)，以及可轉(zhuǎn)移的 β Ti 合金，包括Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-5Al-4Zr-8Mo-7V、Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr、Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si、Ti-5Al-3Mo-3V-2Zr-2Cr-1Nb-1Fe、（Ti-6Al-2Sn-3Mo-1Cr-2Zr-2Nb、Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe、Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al和Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr）以及（Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo和Ti-2.5Al-12V-2Sn-6Zr)

圖 8. 不同狀態(tài)下Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al 合金的斷裂特征。(a1) WQ 樣品斷裂表面的掃描電鏡顯微照片。(a1) 中的插圖是斷裂表面的放大圖像，其中有大量凹陷。(a2）斷裂表面的 SEM 圖像顯示了 α_p/β 和 α′/β PB 處的空隙。(a3）斷裂表面的 SEM 圖像顯示裂紋沿 α_p/β 和 α′/β PB 擴(kuò)展/偏轉(zhuǎn)。(b1）400AC 樣品斷裂面的 SEM 顯微照片。(b1) 中的插圖是斷裂表面的放大圖像，顯示出大量凹陷。(b2）斷裂表面的掃描電鏡圖像顯示了α_p/β 和 α′_dec/β PB 處的空隙。(b3) 掃描電鏡圖像顯示了裂紋沿 α_p/β 和 α′_dec/β PB 的擴(kuò)展/變形。(c1) 500AC 樣品斷裂面的掃描電鏡顯微照片。(c1)中的插圖是斷裂表面的放大圖像，顯示出跨晶裂紋狀特征。(c2) 掃描電鏡圖像顯示，宏觀劈裂面實(shí)際上是由不連續(xù)的微空洞（橙色箭頭）和非常細(xì)的凹槽（白色虛線）組成。(c3) α_p/β 和 α′_dec/β PB處存在空隙的相應(yīng)次表面顯示，即使在相當(dāng)靠近空隙的位置，也無法辨別塑性變形痕跡（空隙擴(kuò)展或裂紋偏轉(zhuǎn)）。

圖 9. WQ 和 500AC Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al 合金的變形亞結(jié)構(gòu)。(a1-a4) 變形量為 3.2 % 的WQ 樣品。(a1-a2) WQ 樣品中位錯(cuò)的兩束條件分析。位錯(cuò)由α′/β PB 沿α′薄片內(nèi)的基底（0002）滑移系統(tǒng)發(fā)出，黃色破折號(hào)線表示。(a1) 中方框區(qū)域的進(jìn)一步放大顯微照片顯示了 PB 的滑移傳輸事件，通過粉紅色箭頭突出顯示。(a3-a4）HR-TEM 和相應(yīng)的IFFT 圖像顯示了 α′/β PB 處的幾個(gè) RID，驗(yàn)證了位錯(cuò)傳輸活動(dòng)，RID 用黃色符號(hào)"⊥"標(biāo)記。(b1-b3）WQ 樣品變形了 6.1%。(b1) TEM 圖像顯示，α′薄片內(nèi)部的位錯(cuò)密度和位錯(cuò)相互作用（黃色箭頭）較高。除了 (0002) 滑移系統(tǒng)外，許多差排還從相干的 PB 中成核，如橙色箭頭所示。b1）中的插圖是相應(yīng)的選區(qū)電子衍射（SAED）圖。(b2-b3）HR-TEM 和相應(yīng)的IFFT 圖像顯示了 PB 上更多的 RID。(c1-c2）斷裂應(yīng)變時(shí) 500AC 樣品中位錯(cuò)的兩束條件分析。只有沿（0002）平面的滑移帶被激活。

本研究通過馬氏體轉(zhuǎn)變成功設(shè)計(jì)出了具有高密度有序相干 α′/β PBs 的超高比強(qiáng)度和大延展性 Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al 合金。高密度的納米馬氏體厚度最薄處僅為∼22 nm，可在 400 °C下穩(wěn)定，這使得目前這種具有成本效益的鈦合金具有超高強(qiáng)度和韌性，斷裂韌性極佳。通過納米馬氏體工程設(shè)計(jì)的分層有序相干 PB 策略不僅克服了傳統(tǒng)鈦合金中微米級(jí) PB 密度低的缺點(diǎn)，還為合金的可持續(xù)和自硬能力提供了足夠的位錯(cuò)源和障礙，從而實(shí)現(xiàn)了超高強(qiáng)度和韌性的結(jié)合。此外，本研究預(yù)計(jì)這種設(shè)計(jì)策略將適用于其他可代謝合金，如傳統(tǒng)鋼材和新興的多組分合金，以實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度、高延展性和卓越的韌性。