與常規(guī)晶粒尺度（5-10μm）的鈦合金相比，超細晶鈦合金不僅具有更高的強度與良好的塑性匹配，同時還具有更高的耐磨性和更佳的生物相容性，在航空航天、生物醫(yī)學等諸多重要應用領域中極具吸引力。然而，超細晶鈦合金不僅制備加工極為困難，且組織的熱穩(wěn)定性較差，這兩大瓶頸問題制約了超細晶鈦合金的發(fā)展與應用。
中國科學院金屬研究所楊柯團隊長期從事新型醫(yī)用金屬材料的基礎與應用研究。近期，團隊成員任玲、王海等通過“雙相殼層包裹超細等軸晶”的顯微組織設計思想（圖1），同時從熱力學、動力學兩方面提高超細晶鈦合金組織熱穩(wěn)定性，并利用常規(guī)熱處理與熱加工的工藝組合，實現(xiàn)了上述顯微組織的大尺寸制備，解決了超細晶鈦合金制備加工難、組織穩(wěn)定性差的兩大瓶頸問題，獲得了性能優(yōu)異和熱穩(wěn)定性高的超細晶含銅鈦合金。近期，相關研究成果在《自然-通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表。
研究團隊近年來一直致力于含銅鈦合金的結(jié)構(gòu)與生物功能一體化研究與應用。在前期研究工作基礎上，團隊提出“共析元素合金化→淬火→熱變形”（EQD）的超細晶含銅鈦合金的制備策略（圖2），實現(xiàn)了雙相殼層包裹超細等軸晶的顯微組織的設計思想。該策略通過常規(guī)的熱加工設備實現(xiàn)了α-Ti晶粒尺寸在90-500 nm范圍內(nèi)的超細晶Ti6Al4V5Cu合金的大尺寸制備（圖2）。與此同時，利用熱變形過程中形成的β/Ti2Cu雙相蜂窩殼結(jié)構(gòu)包覆α晶粒，顯著提高了超細等軸晶組織的熱穩(wěn)定性，使材料的失穩(wěn)溫度提高至973 K（0.55Tm）（圖3）。超細晶Ti6Al4V5Cu合金的室溫拉伸強度最高達到1.5 GPa，延伸率超過10%。在650℃和應變速率為0.01 s-1條件下，其拉伸延伸率超過1000%（圖1），實現(xiàn)了超塑性變形。此外，超細晶Ti6Al4V-5Cu合金在高溫拉伸的熱力耦合條件下未發(fā)生晶粒的粗化長大（圖4）。該EQD策略不僅實現(xiàn)了TiCu、TiZrCu等其它鈦合金的高性能、高熱穩(wěn)定性超細晶組織的制備，并已經(jīng)拓展至包括鋼鐵材料在內(nèi)的其它合金體系中，為超細晶金屬材料的制備提供了新途徑，對超細晶金屬材料的設計和研究具有重要意義。
以上工作由金屬所楊柯、任玲團隊，澳大利亞皇家墨爾本理工大學邱冬團隊，金屬所沈陽材料科學國家研究中心陳星秋團隊等合作完成。金屬所王海助理研究員為第一作者，金屬所任玲項目研究員、澳大利亞皇家墨爾本理工大學邱冬教授為通訊作者。
該研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金重點與面上項目、中國科學院國際合作重點項目、遼寧省“興遼英才計劃”等資助。
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https://www.nature.com/articles/s41467-022-29782-8
圖1 雙相蜂窩殼結(jié)構(gòu)納米晶Ti6Al4V5Cu合金的組織設計與性能，（a）組織設計示意圖；（b）失穩(wěn)溫度-晶粒尺寸圖，顯示材料具有良好的組織熱穩(wěn)定性；（c）室溫強度-延伸率圖，相較于其它鈦合金，材料具有良好的強塑性匹配；（d）650℃/0.01s-1條件下的拉伸應力-應變曲線，材料的延伸率超過1000%。
圖2 雙相蜂窩殼結(jié)構(gòu)納米晶Ti6Al4V5Cu合金的組織表征與形成機制分析，（a）HAADF成像模式觀察；（b）能譜面掃描觀察；（c）雙相蜂窩殼結(jié)構(gòu)形成機制示意圖；（d）XRD衍射圖譜；（e）β·cos(θ)-sin(θ)圖，添加Cu使淬火后合金內(nèi)的微觀應變增大；（f）添加Cu細化了馬氏體板條；（g）添加Cu有利于合金在熱變形過程中發(fā)生柱面滑移而形成等軸晶結(jié)構(gòu)。
圖3 雙相蜂窩殼結(jié)構(gòu)納米晶Ti6Al4V5Cu合金的組織熱穩(wěn)定性分析，（a）在不同溫度保溫1 小時后的EBSD組織；（b）高分辨TEM觀察，表明α、β、Ti2Cu相之間具有特定的晶體學取向關系；（c）基于第一性原理計算材料相界能的模型；（d）EBSD極圖，表明α、β、Ti2Cu相在700℃保溫1小時后仍然可以保持初始的取向關系；（e）Ti6Al4V5Cu合金初始態(tài)組織的3DAP分析；（f）Ti6Al4V5Cu合金在650℃保溫1 小時后的3DAP分析。
圖4 原位SEM觀察在650℃拉伸過程中的演變，（a）初始態(tài)SEM組織；（b）局部放大顯示材料具有蜂窩殼結(jié)構(gòu)；（c）ε=0.4時的SEM組織；（d）局部放大顯示相界周圍的FIB刻痕發(fā)生了偏折；（e）基于FIB刻痕節(jié)點位移計算材料內(nèi)的微觀應變分布；（e）相界面滑移對材料的超塑性變形發(fā)揮了重要的作用。
