西安交大科研人員在抗間隙脆性鈦合金強(qiáng)韌化方面取得新進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】雙相鈦合金(α+β)作為最重要的高比強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料之一，可通過(guò)調(diào)控其主要組成相——HCP-α相來(lái)獲得廣泛的力學(xué)性能。然而，高強(qiáng)度雙相鈦合金常常面臨加工硬化率低(WHR, Θ)的問(wèn)題，從而導(dǎo)致有限的均勻延伸率(εu)。這主要源于以下兩個(gè)方面：i)HCP-α相中的
 

　　針對(duì)上述問(wèn)題，西安交大金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫軍院士和張金鈺教授團(tuán)隊(duì)證明了間隙N原子-位錯(cuò)交互的不利作用可以被逆轉(zhuǎn)，從而協(xié)同提升雙相鈦合金的強(qiáng)度和塑性。該策略的原理在于：間隙原子-位錯(cuò)相互作用不僅促進(jìn)形成溶質(zhì)偏聚的亞結(jié)構(gòu)(如低角度晶界，LAGBs)以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，還能夠在位錯(cuò)核心處偏聚以調(diào)控基體的相變行為。因此，團(tuán)隊(duì)通過(guò)簡(jiǎn)單的循環(huán)熱軋與短時(shí)固溶工藝，在高溫下控制N原子-位錯(cuò)交互作用，以調(diào)控Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al-0.4N(wt.%)雙相合金的微觀結(jié)構(gòu)。具體而言：對(duì)于初生α(αp)相，N原子-位錯(cuò)相互作用不僅在熱軋過(guò)程中促進(jìn)波狀滑移并產(chǎn)生足夠的位錯(cuò)，而且在短時(shí)固溶過(guò)程中阻止位錯(cuò)湮滅，這有助于形成富集N原子的LAGBs。對(duì)于高溫β相，這種相互作用將刃位錯(cuò)的平面應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧矫鎽?yīng)力場(chǎng)，從而在淬火過(guò)程中形成間隙N強(qiáng)化的共格α納米孿晶馬氏體(α-NTNMs)。基于此，構(gòu)筑了一種異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)(圖1a)，該結(jié)構(gòu)包含：由富集N原子的LAGBs構(gòu)成的層狀αp晶粒，以及由間隙N原子強(qiáng)化的α-NTNMs組成的β轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)。這種異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)將合金的流變應(yīng)力提升至足以激活。
 

　　圖1. (a) Ti-Cr-Zr-Al-0.4N (wt.%) 合金的異質(zhì)片層結(jié)構(gòu)。(b) 不同組織結(jié)構(gòu)的Ti-Cr-Zr-Al和氮摻雜Ti-Cr-Zr-Al合金室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c) 間隙氮強(qiáng)化的異質(zhì)片層結(jié)構(gòu)Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金的室溫力學(xué)性能與目前報(bào)道的高性能鈦合金(包括β-Ti、(α+β)-Ti、N/O強(qiáng)化的(α+β)-Ti、α-Ti和N強(qiáng)化的鈦合金)的抗拉強(qiáng)度、均勻延伸率對(duì)比。
 

　　該研究成果以“Harnessing Bifunctional Nitrogen-Dislocation Interactions for A Record Ultra-strong-and-ductile Duplex Titanium Alloy” (《利用雙功能氮-位錯(cuò)交互作用實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的超高強(qiáng)度延性雙相鈦合金》)為題在線發(fā)表于《Advanced Science》(《先進(jìn)科學(xué)》)上。西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士生張崇樂(lè)和李軒哲分別為論文的第一和第二作者，孫軍院士和張金鈺教授為論文共同通訊作者，參與該工作的還包括劉剛教授、李蘇植教授。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是該工作的唯一通訊單位。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目資助。表征及測(cè)試工作得到西安交通大學(xué)分析測(cè)試共享中心和材料學(xué)院實(shí)驗(yàn)技術(shù)中心的大力支持。