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《Nature》大子刊：突破常規！制備高強、高塑性、抗氧化鈦合金！

2021-11-04 15:29:26 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：單獨地增加氧或鋁的濃度對鈦合金的延展性有有害的影響。例如，極少量的間隙氧會嚴重惡化鈦的拉伸延展性，特別是在低溫下。同樣，在低氧濃度下，替代鋁也會降低鈦的延展性。本文研究了大量添加Al和O顯著提高了強度和塑性，Ti-6Al-0.3 O合金的塑性比Ti-0.3 O合金提高了6倍。Al和O溶質共同作用，通過改變平面滑移，使其成為離域的三維位錯模式，從而提高和維持高應變硬化率。這主要是由于Al降低了層錯能，Al-O在Ti中的排斥作用改變了氧位錯相互作用的“shuffle”機制，Al-O在Ti中的微觀偏析。

固溶強化是調整結構材料力學性能的最有效方法之一，因為無論是用間隙原子或取代原子合金化，都會產生阻礙位錯運動的內部應力場。盡管固溶強化在廣泛的金屬合金中得到了成功的應用，但當溶質原子和基體原子之間存在強烈的化學相互作用時，可能會發生反常的合金敏感性。這種相互作用導致對溶質濃度的極端敏感性，這可能會降低而不是增加合金的強度和延展性。理解這些涉及間隙原子和取代原子的敏感相互作用是駕馭或減輕有效影響以實現預期的強度和延展性協同的關鍵。

加利福尼亞大學伯克利分校的Yan Chong, Ruopeng Zhang.團隊研究了添加O、Al對材料性能的影響。單獨地增加氧或鋁的濃度對鈦合金的延展性有有害的影響。例如，極少量的間隙氧會嚴重惡化鈦的拉伸延展性，特別是在低溫下。同樣，在低氧濃度下，替代鋁也會降低鈦的延展性。在這里，我們證明了，與直覺相反，大量添加Al和O顯著提高了強度和塑性，Ti-6Al-0.3 O合金的塑性比Ti-0.3 O合金提高了6倍。Al和O溶質共同作用，通過改變平面滑移，使其成為離域的三維位錯模式，從而提高和維持高應變硬化率。這主要是由于Al降低了層錯能，Al-O在Ti中的排斥作用改變了氧位錯相互作用的“shuffle”機制，Al-O在Ti中的微觀偏析。相關研究成果以題“Elimination of oxygen sensitivity in α-titanium by substitutional alloying with Al”發表在Nature communications上。

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26374-w#Sec10

本文系統地研究了鋁原子取代對鈦氧敏性的影響。結果表明，鋁的加入可以緩解氧脆，特別是在低溫下。在微觀水平上，由于氧的亞穩態機械轉移機制引起的嚴重變形局部化在大量添加鋁后不再可操作。與Ti-0.3 O合金相比，Ti-6Al-0.3 O合金的位錯離域在保持氧固溶強化的同時，塑性顯著提高。結合最近的理論和實驗報道，我們提出了鋁的SRO可以被氧增強，并通過電子衍射證實了這一點。隨著SRO的增強，氧的亞穩態機械轉移機制將導致Al-O鍵的出現。相關的能量消耗會阻止氧原子的移動，促進位錯交叉滑移，提供額外的應變硬化能力。此外，Ti-O合金中報道的{11-24}孿晶也被鋁的添加所抑制。這些發現揭示了一種新的策略，以緩解間隙物種（如氧）的不期望的敏感性和脆化，這可能導致新的成分具有更高的耐氧性，以降低加工成本。

圖1 液氮溫度下Ti-Al-O三元合金的力學性能。a Ti-O和Ti-Al-O合金在應變速率為10?3s?1（所有成分為wt.%）的液氮中測試的工程應力-應變曲線。b3d圖顯示了鋁和氧含量對Ti-O和Ti-Al-O合金在液氮中的拉伸韌性（工程應力-應變曲線下覆蓋的區域）的綜合影響。Ti-xAl-0.1 Ocand Ti-xAl-0.3 Odalloy體系（x= 0,2,4,6）在液氮條件下的真應力-應變曲線（實線）和應變硬化速率曲線（符號）隨著鋁含量的增加，兩種合金體系的應變硬化速率和拉伸韌性呈相反的趨勢。

圖2 Ti-O和Ti-Al-O合金在液氮中拉伸斷裂后的EBSD反極圖（IPF）+圖像質量（IQ）圖。在各顯微組織中也顯示了斷裂應變。當氧含量為0.1 wt%時，4wt%的鋁基本抑制了變形孿生。當氧含量為0.3 wt%時，2wt%的鋁基本抑制了變形孿生。比例尺適用于圖中的所有面板。

圖3 Ti-2Al-0.3 O、Ti-6Al-0.1 O和Ti-6Al-0.3 O合金在選定應變下低溫拉伸變形后最終斷裂的典型位錯形貌。給出了三種合金（k）的應變硬化速率曲線，供參考。在變形初期（2.0%），三種合金均出現a-cplanar滑移帶。隨著變形量的進一步增加（從6%到斷裂），Ti-2Al-0.3 O合金的局部變形更為嚴重，而Ti-6Al-0.1 O和Ti-6Al-0.3 O合金的局部變形更為嚴重。在平面滑移帶h，j，g，i之間，由于位錯糾纏和可能的交叉滑移，形變發生了明顯的離域化。在Ti-6Al0.3 O合金中，離域發生比Ti-6Al-0.1 O合金更早。比例尺適用于圖中的所有面板。

圖4 低溫拉伸變形至6.0%應變后Ti-6Al-0.1 O位錯形態詳細分析。（a）在[2-1-10]的區域軸上觀察到兩個平面滑移帶，滑移帶之間有一些分散分布的位錯。b - e同一區域的弱光束暗場（WBDF）圖像。（b）當=0002時，平面滑移帶和滑移帶之間的位錯均消失，排除了位錯的存在。（c）WBDF圖像使用g= 01-10，突出了從滑移帶形核的位錯環，以及在滑移帶之間可能頻繁發生的位錯交叉滑移。d和e一些典型的例子（區域I和區域II）用藍色箭頭表示。f給出了成像方向的晶體取向示意圖。

圖5選擇合金和工藝條件下的[2 -1 -1 0] 衍射圖對比。（a）[2 -1 -1 0]水淬Ti-6Al0.3O合金的衍射譜。（b）時效Ti-6Al-0.3 O合金的[2 -1 -1 0]衍射圖譜。白色箭頭表示Ti3Al超晶格的擴散散射。（c）時效Ti-6Al合金的[2 -1 -1 0]衍射圖譜。白色虛線箭頭表示Ti3Al超晶格非常微弱的漫射散射。對應的歸一化強度分布圖沿虛線如下所示。

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