西安交通大學在低成本高強韌鈦合金設計方面取得新進展

高比強度鈦合金是實現節能減排以及輕量化的重要結構材料，可通過調節晶界(GBs)和異相界面(PBs)的密度和空間分布特征優化其宏觀力學性能。對于鈦合金，除了擴散相變(β→α)外，還可以通過快速冷卻條件下的無擴散位移轉變(β→α′)引入高密度PBs。但由于鈦合金中尺寸為幾十甚至幾百微米的較大β晶粒往往會形成微米級和亞微米級的馬氏體片層，導致相界面密度低而屈服強度不高。因此，利用晶界工程(GBE)構建具有精細微觀組織的高強韌鈦合金仍然存在挑戰。為此，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室孫軍院士團隊提出了采用化學界面工程(CBE)制備納米馬氏體的新策略。基于高溫下合金元素之間顯著的擴散失配可以構筑高密度化學界面(CBs，定義為在晶格連續區域內至少一個元素存在濃度梯度的不連續)的設計思想，考慮到不同合金元素在BCC-Ti和HCP-Ti基體中擴散速率的差異，選用低成本快擴散元素Cr和慢擴散元素Al，以Ti-xCr-4.5Zr-5.2Al(x=1.8, 2.3, 2.8wt%)合金為模型材料，通過快擴散元素Cr調控化學界面的密度。高溫狀態下Cr、Al元素的擴散失配形成高密度CBs，這些CBs可以將每個β晶粒分割成大量貧Cr和富Al納米域。在隨后水冷過程中，馬氏體更容易在這些富Al或貧Cr納米域中形核，即這些富含Al或貧Cr的納米域作為納米馬氏體形核位點，而化學界面則作為馬氏體長大的壁壘，限制其快速生長。基于CBE理念，團隊在Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金中成功創造了迄今為止最小尺寸的納米馬氏體(平均尺寸為20±6 nm)，且與當前已報道的其他馬氏體鈦合金相比，該鈦合金成本最低，具有比強度最高且強塑性匹配優異等特點。團隊提出的CBE設計策略突破了鈦合金原有微觀組織/合金成分設計理念和熱機械加工方法的局限，為設計高性能先進鈦合金和其他具有類似特性的金屬結構材料提供了新的思路。

該研究成果以《層級納米馬氏體構造的低成本超高強塑鈦合金》(Hierarchical nano-martensite-engineered a low-cost ultra-strong and ductile titanium alloy)為題發表于《自然-通訊》。

來源：西安交通大學官網