晶體缺陷如位錯(cuò)，除了作為塑性載體，還可作為有效的形核位點(diǎn)，控制具有多層級(jí)/形態(tài)第二相的析出，從而優(yōu)化合金力學(xué)性能。鈦合金的熱機(jī)械加工可以引入大量的預(yù)先位錯(cuò)，為調(diào)節(jié)最終微觀結(jié)構(gòu)中的馬氏體層級(jí)/形態(tài)提供媒介。然而，由于BCC金屬中位錯(cuò)特征的強(qiáng)烈溫度依賴性，高溫?zé)釞C(jī)械加工后β基體中預(yù)先位錯(cuò)主要是具有平面應(yīng)力場(chǎng)的刃位錯(cuò)，這導(dǎo)致形成平行的α'馬氏體簇而不是孿晶馬氏體。因此，如何工程化構(gòu)筑納米孿晶結(jié)構(gòu)馬氏體，并提高馬氏體的本征強(qiáng)度，是獲取高強(qiáng)-塑/韌性良好匹配鈦合金面臨的難題。

針對(duì)上述問(wèn)題，西安交通大學(xué)孫軍院士和張金鈺教授團(tuán)隊(duì)提出了一種間隙O納米孿晶馬氏體設(shè)計(jì)策略，在Ti-Cr-Zr-Al馬氏體鈦合金中有意摻雜高達(dá)0.5%(w)的間隙O，利用間隙原子-位錯(cuò)交互作用顯著扭曲熱機(jī)械加工預(yù)先引入刃位錯(cuò)的平面應(yīng)力場(chǎng)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧矫鎽?yīng)力場(chǎng)，促使多個(gè)馬氏體變體沿富O的刃位錯(cuò)線同時(shí)形核，從而構(gòu)筑出間隙O強(qiáng)化的納米孿晶α'馬氏體新型微觀結(jié)構(gòu)。借助富O位錯(cuò)線原位相變形成的納米孿晶馬氏體可以吸收β基體中的氧原子來(lái)抑制界面處的氧偏析，進(jìn)而提高鈦合金抗氧脆能力。該策略結(jié)合了間隙強(qiáng)化、共格α'/α'孿晶界和共格α'/β'相界面的優(yōu)點(diǎn)，賦予高氧鈦合金超高應(yīng)變硬化能力，其比韌性高達(dá)800 MPa·g^-1·cm³，約為同等強(qiáng)度鈦合金的10倍。此外，該合金可以利用低等級(jí)海綿鈦、殘鈦回收過(guò)程中高氧含量的剩余鈦料或氧含量高的加工“廢料”進(jìn)行生產(chǎn)，帶來(lái)巨大的降本空間。該研究為鈦合金工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)低成本、高性能的高氧耐受性鈦合金提供了新的見(jiàn)解。

圖1  基于O-位錯(cuò)交互作用形成的納米孿晶馬氏體Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金的分子動(dòng)力學(xué)模擬和相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)

圖2  間隙氧強(qiáng)化的納米孿晶馬氏體Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金水冷后的室溫力學(xué)性能與商業(yè)Ti-6Al-4V合金、馬氏體鈦合金、高強(qiáng)鈦合金、增材制造鈦合金、(α+β)+O鈦合金、β+O鈦合金和粉末冶金+O鈦合金的力學(xué)性能、比強(qiáng)度和比韌性對(duì)比