【儀表網 研發快訊】雙相鈦合金(α+β)作為最重要的高比強度結構材料之一，可通過調控其主要組成相——HCP-α相來獲得廣泛的力學性能。然而，高強度雙相鈦合金常常面臨加工硬化率低(WHR, Θ)的問題，從而導致有限的均勻延伸率(εu)。這主要源于以下兩個方面：i)HCP-α相中的
針對上述問題，西安交大金屬材料強度全國重點實驗室孫軍院士和張金鈺教授團隊證明了間隙N原子-位錯交互的不利作用可以被逆轉，從而協同提升雙相鈦合金的強度和塑性。該策略的原理在于：間隙原子-位錯相互作用不僅促進形成溶質偏聚的亞結構(如低角度晶界，LAGBs)以實現強化，還能夠在位錯核心處偏聚以調控基體的相變行為。因此，團隊通過簡單的循環熱軋與短時固溶工藝，在高溫下控制N原子-位錯交互作用，以調控Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al-0.4N(wt.%)雙相合金的微觀結構。具體而言：對于初生α(αp)相，N原子-位錯相互作用不僅在熱軋過程中促進波狀滑移并產生足夠的位錯，而且在短時固溶過程中阻止位錯湮滅，這有助于形成富集N原子的LAGBs。對于高溫β相，這種相互作用將刃位錯的平面應力場轉變為非平面應力場，從而在淬火過程中形成間隙N強化的共格α納米孿晶馬氏體(α-NTNMs)。基于此，構筑了一種異質層狀結構(圖1a)，該結構包含：由富集N原子的LAGBs構成的層狀αp晶粒，以及由間隙N原子強化的α-NTNMs組成的β轉變結構。這種異質層狀結構將合金的流變應力提升至足以激活。
圖1. (a) Ti-Cr-Zr-Al-0.4N (wt.%) 合金的異質片層結構。(b) 不同組織結構的Ti-Cr-Zr-Al和氮摻雜Ti-Cr-Zr-Al合金室溫拉伸應力-應變曲線。(c) 間隙氮強化的異質片層結構Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金的室溫力學性能與目前報道的高性能鈦合金(包括β-Ti、(α+β)-Ti、N/O強化的(α+β)-Ti、α-Ti和N強化的鈦合金)的抗拉強度、均勻延伸率對比。
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-位錯交互作用實現創紀錄的超高強度延性雙相鈦合金》)為題在線發表于《Advanced Science》(《先進科學》)上。西安交通大學材料學院博士生張崇樂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。西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室是該工作的唯一通訊單位。該工作得到了國家自然科學基金、陜西省科技創新團隊項目、中央高校基本科研業務費等項目資助。表征及測試工作得到西安交通大學分析測試共享中心和材料學院實驗技術中心的大力支持。
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