《Nature》大子刊：突破常规！制备高强、高塑性、抗氧化钛合金！

2021-11-04 15:29:26 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：单独地增加氧或铝的浓度对钛合金的延展性有有害的影响。例如，极少量的间隙氧会严重恶化钛的拉伸延展性，特别是在低温下。同样，在低氧浓度下，替代铝也会降低钛的延展性。本文研究了大量添加Al和O显著提高了强度和塑性，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溶质共同作用，通过改变平面滑移，使其成为离域的三维位错模式，从而提高和维持高应变硬化率。这主要是由于Al降低了层错能，Al-O在Ti中的排斥作用改变了氧位错相互作用的“shuffle”机制，Al-O在Ti中的微观偏析。

固溶强化是调整结构材料力学性能的最有效方法之一，因为无论是用间隙原子或取代原子合金化，都会产生阻碍位错运动的内部应力场。尽管固溶强化在广泛的金属合金中得到了成功的应用，但当溶质原子和基体原子之间存在强烈的化学相互作用时，可能会发生反常的合金敏感性。这种相互作用导致对溶质浓度的极端敏感性，这可能会降低而不是增加合金的强度和延展性。理解这些涉及间隙原子和取代原子的敏感相互作用是驾驭或减轻有效影响以实现预期的强度和延展性协同的关键。

加利福尼亚大学伯克利分校的Yan Chong, Ruopeng Zhang.团队研究了添加O、Al对材料性能的影响。单独地增加氧或铝的浓度对钛合金的延展性有有害的影响。例如，极少量的间隙氧会严重恶化钛的拉伸延展性，特别是在低温下。同样，在低氧浓度下，替代铝也会降低钛的延展性。在这里，我们证明了，与直觉相反，大量添加Al和O显著提高了强度和塑性，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溶质共同作用，通过改变平面滑移，使其成为离域的三维位错模式，从而提高和维持高应变硬化率。这主要是由于Al降低了层错能，Al-O在Ti中的排斥作用改变了氧位错相互作用的“shuffle”机制，Al-O在Ti中的微观偏析。相关研究成果以题“Elimination of oxygen sensitivity in α-titanium by substitutional alloying with Al”发表在Nature communications上。

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

本文系统地研究了铝原子取代对钛氧敏性的影响。结果表明，铝的加入可以缓解氧脆，特别是在低温下。在微观水平上，由于氧的亚稳态机械转移机制引起的严重变形局部化在大量添加铝后不再可操作。与Ti-0.3 O合金相比，Ti-6Al-0.3 O合金的位错离域在保持氧固溶强化的同时，塑性显著提高。结合最近的理论和实验报道，我们提出了铝的SRO可以被氧增强，并通过电子衍射证实了这一点。随着SRO的增强，氧的亚稳态机械转移机制将导致Al-O键的出现。相关的能量消耗会阻止氧原子的移动，促进位错交叉滑移，提供额外的应变硬化能力。此外，Ti-O合金中报道的{11-24}孪晶也被铝的添加所抑制。这些发现揭示了一种新的策略，以缓解间隙物种（如氧）的不期望的敏感性和脆化，这可能导致新的成分具有更高的耐氧性，以降低加工成本。

图1 液氮温度下Ti-Al-O三元合金的力学性能。a Ti-O和Ti-Al-O合金在应变速率为10?3s?1（所有成分为wt.%）的液氮中测试的工程应力-应变曲线。b3d图显示了铝和氧含量对Ti-O和Ti-Al-O合金在液氮中的拉伸韧性（工程应力-应变曲线下覆盖的区域）的综合影响。Ti-xAl-0.1 Ocand Ti-xAl-0.3 Odalloy体系（x= 0,2,4,6）在液氮条件下的真应力-应变曲线（实线）和应变硬化速率曲线（符号）随着铝含量的增加，两种合金体系的应变硬化速率和拉伸韧性呈相反的趋势。

图2 Ti-O和Ti-Al-O合金在液氮中拉伸断裂后的EBSD反极图（IPF）+图像质量（IQ）图。在各显微组织中也显示了断裂应变。当氧含量为0.1 wt%时，4wt%的铝基本抑制了变形孪生。当氧含量为0.3 wt%时，2wt%的铝基本抑制了变形孪生。比例尺适用于图中的所有面板。

图3 Ti-2Al-0.3 O、Ti-6Al-0.1 O和Ti-6Al-0.3 O合金在选定应变下低温拉伸变形后最终断裂的典型位错形貌。给出了三种合金（k）的应变硬化速率曲线，供参考。在变形初期（2.0%），三种合金均出现a-cplanar滑移带。随着变形量的进一步增加（从6%到断裂），Ti-2Al-0.3 O合金的局部变形更为严重，而Ti-6Al-0.1 O和Ti-6Al-0.3 O合金的局部变形更为严重。在平面滑移带h，j，g，i之间，由于位错纠缠和可能的交叉滑移，形变发生了明显的离域化。在Ti-6Al0.3 O合金中，离域发生比Ti-6Al-0.1 O合金更早。比例尺适用于图中的所有面板。

图4 低温拉伸变形至6.0%应变后Ti-6Al-0.1 O位错形态详细分析。（a）在[2-1-10]的区域轴上观察到两个平面滑移带，滑移带之间有一些分散分布的位错。b - e同一区域的弱光束暗场（WBDF）图像。（b）当=0002时，平面滑移带和滑移带之间的位错均消失，排除了位错的存在。（c）WBDF图像使用g= 01-10，突出了从滑移带形核的位错环，以及在滑移带之间可能频繁发生的位错交叉滑移。d和e一些典型的例子（区域I和区域II）用蓝色箭头表示。f给出了成像方向的晶体取向示意图。

图5选择合金和工艺条件下的[2 -1 -1 0] 衍射图对比。（a）[2 -1 -1 0]水淬Ti-6Al0.3O合金的衍射谱。（b）时效Ti-6Al-0.3 O合金的[2 -1 -1 0]衍射图谱。白色箭头表示Ti3Al超晶格的扩散散射。（c）时效Ti-6Al合金的[2 -1 -1 0]衍射图谱。白色虚线箭头表示Ti3Al超晶格非常微弱的漫射散射。对应的归一化强度分布图沿虚线如下所示。

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。