【48812】【科技自立自强】西安交大科研人员在抗氧脆钛合金强韧化方面取得新进展

  晶体缺陷如位错，除了作为塑性载体，还可作为有用的形核位点，操控具有多层级/形状第二相的分出，然后优化合金的力学性能。例如，高比强度钛合金首要经过分散(β→α)相变构成的纳米尺度α相进行强化。一般来说，刃位错的平面应变/应力场导致单个α变体沿位错线长大，构成平行的α簇状结构。与此相反，螺位错的非平面应力/应变场促进不同α变体沿位错线一起形核，构成具有孪生联系的三角形结构。虽然不同α变体之间有孪晶界，但α和β相之间的界面依然是半共格的，塑性变形时界面相容性较差，因而导致其强度-塑性的倒置联系。一种较好的结构规划办法是经过无分散(β→α)相变引进α/β共格相界面，然后取得杰出的界面应变相容性以供给大塑性。但是，这种战略依然面对两个应战：一种原因是较大的β母相尺度和固溶淬火进程中较少的形核位点导致钛合金中一般构成微米尺度马氏体，而α马氏体相界面强化契合经典的Hall-Petch联系，因而使得合金屈从强度较低。另一方面是钛及其合金中的空隙原子致脆效应，因而严厉约束氧(O)等空隙原子的含量，其马氏体是置换式的过饱和固溶体(置换马氏体)，这显着不同于传统钢铁资料的空隙过饱和固溶体(空隙马氏体)，因而本征强度低。事实上，热机械加工是工业出产钛合金必不可少的工艺，能够引进很多的预先位错，然后为调理终究微观结构中的马氏体层级/形状供给了前言。但是，因为BCC金属中位错特征的激烈温度依赖性，高温热机械加工后β基体中预先位错首要是具有平面应力场的刃位错，这导致构成平行的α马氏体簇而不是孪晶马氏体。因而，怎么工程化构筑纳米孪晶结构马氏体，并进步马氏体的本征强度，是获取高强-塑/耐性杰出匹配钛合金面对的世界性科学与技能难题。

  针对以上问题，西安交大金属资料强度国家重点实验室孙军院士和张金钰教授团队提出了一种违背直觉的规划战略，在Ti-Cr-Zr-Al马氏体钛合金中有意掺杂空隙O(高达0.5wt.%)而不是防止它，即使用空隙原子-位错交互作用明显歪曲热机械加工预先引进刃位错的平面应力场，使其转变为非平面应力场，这促进多个马氏体变体沿富O的刃位错线一起形核，然后构筑出空隙O强化的纳米孪晶α马氏体新式微观结构。更重要的是，凭借富O位错线原位相变构成的纳米孪晶马氏体能吸收β基体中的氧原子来按捺界面处的氧偏析，然后进步钛合金中的抗氧脆才能。因而，空隙原子-位错交互作用介导的空隙O纳米孪晶马氏体规划战略结合了空隙强化、共格α¢/α¢孪晶界和共格α¢/β相界面的长处，然后使得该钛合金的归纳力学性能优于曾经报导的钛合金。特别是，该高氧钛合金具有超高的应变硬化才能，其比耐性高达800 MPa % g-1cm3，约为平等强度钛合金的10倍。此外，合金规划的初衷最大极限地考虑了循环经济的思维，即考虑到海绵钛出产(高能耗的克劳尔工艺)中的低等级海绵钛产品(约占海绵钛工业的5%-10%)、来自残钛收回进程中高氧含量的剩下钛料或氧含量高的加工“废料”,均可作为当下钛合金的质料，然后带来非常大的降低成本空间。团队提出的战略展现了一种先进的规划准则，即经过操作位错特征，例如刃位错或螺位错及其应力场，可有用构筑纳米孪晶结构，并为钛合金工业出产规划低成本、高性能的高氧耐受性钛合金供给了新的见地。

  图1. 根据O-位错交互作用构成的纳米孪晶马氏体Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金的分子动力学模仿和相应的微观结构

  图2. 空隙氧强化的纳米孪晶马氏体Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金水冷后的室温力学性能与商业Ti-6Al-4V合金、马氏体钛合金、高强钛合金、增材制作钛合金、(α+β)+O钛合金、β+O钛合金和粉末冶金+O钛合金的力学性能、比强度和比耐性比照

  该研究成果以“Oxygen-dislocation interaction-mediated nanotwinned nanomartensites in ultra-strong and ductile titanium alloys”为题在线发表于Materials Today上。西安交通大学资料学院博士生张崇乐为论文榜首作者，孙军院士和张金钰教授为论文一起通讯作者，参加该作业的还包含教授、李苏植教授、李娇高级工程师和李轩哲博士生。西安交通大学金属资料强度国家重点实验室是该作业的仅有通讯单位。该作业得到了国家自然科学基金、陕西省青年立异团队项目等项目的一起赞助。

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