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鈦合金又發(fā)Nature communications：晶粒細(xì)化防止低溫氧脆

2023-02-21 17:23:38 作者：材料人來源：材料人分享至：

一、【前沿導(dǎo)讀】

在鈦合金中，O元素可謂是一把雙刃劍，既可以起到強(qiáng)化作用，但同時極大地降低了合金的塑性。當(dāng)合金中的O含量達(dá)到3%時，合金在77K表現(xiàn)出極差的塑性，阻礙了鈦合金在液體火箭發(fā)動機(jī)以及液氮/氦容器中的應(yīng)用。O元素的添加導(dǎo)致合金從穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榫?nèi)斷裂。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡量控制O的含量，這無疑增加了其成本。這種不利于鈦延展性的氧敏感性的機(jī)制很大程度上歸因于局部塑性變形和脆弱的晶界。如何保持高O鈦合金具有較高的延展性已經(jīng)成為了國際性難題。

二、【成果掠影】

近日，來自美國加利福尼亞大學(xué)的Andrew M. Minor教授，日本京都大學(xué)的Nobuhiro Tsuji和Tomohito Tsuru教授提出了一種晶粒細(xì)化的結(jié)構(gòu)策略，成功解決了上述問題。在Ti-0.3wt中，超細(xì)晶粒(UFG)微觀結(jié)構(gòu)(晶粒尺寸~ 2.0 μ m)的均勻伸長與77 K時極脆的粗晶粒相比，成功地提高了一個數(shù)量級，并保持了UFG微觀結(jié)構(gòu)固有的超高屈服強(qiáng)度。這種獨(dú)特的強(qiáng)度-延展性協(xié)同是通過稀釋的晶界偏析(有助于提高晶界結(jié)合能)和增強(qiáng)的<c + a>位錯活性(有助于提高應(yīng)變硬化能力)共同作用實(shí)現(xiàn)的。這種策略不僅促進(jìn)高強(qiáng)度Ti-O合金在低溫下的潛在應(yīng)用，而且還可以應(yīng)用于其他合金體系。相關(guān)成果以“Grain refinement in titanium prevents low temperature oxygen embrittlement”發(fā)表在國際著名期刊Nature Communications上。

三、【核心創(chuàng)新點(diǎn)】

(1) 創(chuàng)造性的提出晶粒細(xì)化策略用于解決高O鈦合金的低溫氧脆問題；

(2) 發(fā)現(xiàn)細(xì)化晶粒可以稀釋晶界處O含量并提高<c + a>位錯活性；

四、【數(shù)據(jù)概況】

圖2 不同晶粒尺寸純Ti和Ti-0.3O合金的力學(xué)性能。a，純Ti在室溫(紅色曲線)和液氮溫度(藍(lán)色曲線)下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線; b Ti-0.3O在室溫(紅色曲線)和液氮溫度(藍(lán)色曲線)下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線; c, d Ti和Ti-0.3O在液氮溫度下均勻拉伸率隨晶粒尺寸的變化規(guī)律; e不同晶粒度純Ti和Ti-0.3O在液氮溫度下的端口形貌。© 2022 The authors

圖3 77 K下粗晶(CG)純Ti和Ti-0.3 O的介觀變形行為；a CG純Ti和Ti-0.3 O在77 k時的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；b斷塑性應(yīng)變?yōu)?.0%、14%和50%時CG純Ti的EBSD反極圖(IPF)圖；c CG Ti-0.3O拉伸斷裂(1.5%)后的背散射電子(BSE)圖像，其中GB裂紋和滑移帶分別用黃色箭頭和白色箭頭表示；d CG Ti-0.3O中TB/GB交點(diǎn)和平面滑移帶兩個代表區(qū)域的ebsd衍生交叉相關(guān)性殘余應(yīng)變場。e c的IPF圖，其中突出顯示了納米孿晶在TB/GB相互作用下的活化。© 2022 The authors

圖4 超細(xì)晶(UFG)純Ti和Ti-0.3 O在77 K下的細(xì)觀變形行為; a UFG純Ti和Ti-0.3 O在77 K下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插入兩種合金的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線和應(yīng)變硬化速率曲線。b塑性應(yīng)變?yōu)?.0%、14%和30%時UFG純Ti的IPF圖。c UFG純Ti在應(yīng)變?yōu)?2%時的{112}和{102}孿晶的高分辨率TEM圖像和快速傅里葉變換(FFT)模式。d塑性應(yīng)變?yōu)?.0%和14%時UFG Ti-0.3O的IPF圖，以及KAM圖. © 2022 The authors

圖5 CG和UFG Ti-0.3 O的GB化學(xué)分析；a Ti-0.3O CG (D = 68µm)BSE圖像；b Ti-0.3O UFG (D = 2.0µm) BSE圖像；c，d Ti-0.3O CG和UFG樣品的透射電鏡(TEM)圖像；e，f CG和UFG樣品的氧原子圖(綠色)，其中晶界位置由TEM圖像上的箭頭指示；g CG和UFG Ti-0.3O樣品中間隙元素(O、C和N)跨晶界的成分分布；h氧與溶質(zhì)相互作用的第一性原理計(jì)算結(jié)果；© 2022 The authors

圖6 77 K Ti-0.3O變形CG和UFG中位錯的透射電鏡表征；a 77 K拉伸斷裂(ε_f ~ 1.5%)后，CG Ti-0.3O合金中出現(xiàn)排列良好的(10-10)柱面位錯滑移；b在77 K塑性應(yīng)變?yōu)?.5%的UFG Ti-0.3O合金中，位錯在晶粒內(nèi)均勻分布；c UFG Ti-0.3O在77 K條件下，變形2.5%時的位錯雙束條件分析。可觀察到大量<c + a >位錯(c-i和c-iii)，并與< a >位錯以波狀構(gòu)型(c-ii和c-iv)相互作用。© 2022 The authors

五、【成果啟示】

當(dāng)晶粒尺寸下降到超細(xì)晶時，將引發(fā)鈦合金的一系列性能響應(yīng)，如力學(xué)性能，晶界偏析，氧化性能，蠕變性能等。本文的發(fā)現(xiàn)是阻止鈦合金氧化脆性的里程碑。

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