西安交大《Acta Materialia》：分层有序共格界面获得超高强韧纳米马氏体钛合金

晶界（GB）和相界（PB）是金属晶体中的平面不连续性，可有效调节多晶合金的强度和韧性，而强度和韧性通常是相互排斥的两个关键属性。因此，GB工程，如调节GBs/PBs 的数量或排列，被广泛用于设计超强、超韧的轻质合金，如钛（Ti）合金。然而，钛合金所能达到的微结构细度和类型是有限的，因为一旦暴露在热负荷下，其晶粒就会迅速粗化。因此，这些具有相对较高 GB 能量的晶体界面的高流动性限制了 GB 相关性能的进一步提高。通过密集分散的 α 纳米沉淀强化的高强度双相钛合金面临着强度-韧性权衡的困境，因为以位错堆积形式存在的半相干 α/β PB 的应变（几何）不相容性会导致严重的断裂应力集中，从而降低材料的延展性和韧性。一旦移动位错穿过高能 α/β PBs（形成位错通道），钛合金中一般会出现应变局部化，并伴有应变软化行为。因此，如何设计微观结构，特别是 PB，以同时提高双相钛合金的强度和韧性，是一项巨大的挑战。

来自西安交通大学的学者以易变性工程学为基础，在具有超高比强度和超强断裂韧性的韧性钛-铬-锆-铝合金中，通过密集分散的纳米粒子，构建了分层有序的相干界面，以优化强度-韧性。研究揭示了这些有序的相干界面既是位错的障碍，又是位错的来源，通过分层纳米金刚石-位错相互作用形成可持续的自硬化变形机制，从而实现钛合金的超高强度和韧性。本研究的纳米金刚砂在低于 400 ℃的高温下具有热稳定性，当温度高于 400℃时，由于分层有序纳米金刚砂的分解和先前β薄片的球化，会发生由回火引起的韧性到脆性的转变。分层有序相干界面的设计策略使我们具有成本效益的纳米金刚石钛合金获得了前所未有的强度、延展性和韧性组合，为具有优异抗断裂性能的高强度和延展性结构材料的微结构设计提供了新的途径。相关工作以题为“Hierarchically ordered coherent interfaces-driven ultrahigh specific-strength and toughness in a nano-martensite titanium alloy”的研究性文章发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119540

为了获得超强、超韧的钛合金，本研究基于 "d 电子理论"，根据 β 稳定剂 Cr 的含量来调整 β 基体的稳定性，以创建具有分层相干 α′/β 界面的自组装有序纳米金刚砂。这种成分设计旨在确保经过简便的水淬工艺（WQ）后，可生成厚度 λ < 50 nm 的硬位错结构 α′ 纳米敏化剂，而非软 α′′ 相。除了降低合金成本外，选择 Al、Cr 和 Zr 元素作为合金元素主要是为了提高 Ti 合金的强度和耐腐蚀性，并具有良好的热稳定性。经过精心调整合金成分，使铬含量从1.8 到 3.8 wt.%，获得了具有超高比强度和超强韧性的低成本、韧性 α′ 纳米马氏体 Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al (wt.%) 合金。

图 1. Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金的热机械加工方案，以及显示微观结构演变的示意图。显示不同阶段微观结构特征的 Ti-2.8Cr-4.5Zr-2.5Al 合金透射电子显微镜（TEM）图像。

图 2. WQ Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金的显微组织特征。(a1) 暗视野透射电子显微镜 (DF-TEM) 图像和示意图显示了由 β 和 α′片层组成的β-transus 微观结构。示意图显示了分级有序α′-马氏体组织的显微组织。(a2) 相应的选区电子 (SAED) 图案显示了三种马氏体变体。(a3-a4) 低倍率 HAADF-STEM 和相应的 IFFT 显微照片显示，在 α′/β PB 处没有与错位位错相关的额外平面，以及使用 (011)β 和 (0110)α' 衍射点的 IFFT 显微照片。(a3) 中的插图是相应的 FFT 模式。(a5) 高倍率HAADF-STEM 显微照片显示了传统的“平台-壁架”界面结构，如白色虚线所示。(b1-b2) α′ 和 β 纳米片层的元素分配和组成的 APT 表征。(c) WQ 样品中 α′和 β 片层厚度的统计分布。(d) 目前 Ti-Cr-Zr-Al 合金和其他报道的马氏体 Ti 合金的屈服强度与 α′厚度的关系，包括 Ti-4Mo、Ti-5Al-3Mo-1.5V、TC4 （原β晶粒）、Ti-V-(Al,Sn)系列、Ti-V-Sn系列、TC4传统工艺（α+α′和全α′）、TC4 SLM (α′)、TC4 EBM (α′)和 TC4 SLM (β + α′)。

图 3. 400AC Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al 合金的微观结构特征。(a1) BF-TEM 显示了 αp 和 α′dec 相。(a2) β-transus 显微结构的 SAED 图形显示了三种马氏体变体。(a3) HR-TEM 图像显示了 α′ 马氏体内部的 β 纳米粒子。(a4）400AC 样品中 β 层厚度的统计分布。(b1-b2）对400AC 样品的元素分配和成分进行的 APT 分析显示，α′位错马氏体中富含钙的 β 纳米粒子，如黑色箭头所示。

图 4. 500AC Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al 合金的微观结构特征。(a) DF-TEM 图像显示了大量次级 α，用橙色箭头表示。(b1-b2）BF-TEM 和相应的DF-TEM 图像显示在分解的 α′ 片层中新形成的 αs和 β 纳米颗粒。还提供了相应的铬元素 EDS（插图）。(c1) BF-TEM 图像显示了 500℃ 回火后的β-横截面微观结构。(c2）相应的DF-TEM 图像显示了先前的 β 分裂 β 二维小板和纳米级 β 颗粒。(c3）相应的 EDS 图谱显示了 Ti、Al、Cr 和 Zr 的分布以及白色箭头所示的贫化 Cr 区。(c4-c5）显示了（c1）中标记线的EDS 线分析。(c6）500AC 样品中 β 颗粒直径的统计分布。(c7) HR-TEM 图像显示了具有显著晶格应变的过渡区域。(c8) HR-TEM 图像显示过渡区内出现了新的αs 相，αs/β 与 BOR 的界面上出现了一些错配位错。

图 5. 700AC Ti-2.8Cr-4.5Zr-2.5Al 合金的微观结构特征。(a) HAADF-STEM 图像显示了 β 和 αs 纳米薄片。(b) EDS 图显示了 Cr、Al、Ti 和 Zr 的分布。(c) TEM-EDS 沿 a 中白线线扫描获得的 Cr、Al、Ti 和 Zr 浓度分布图。(d-e) 700AC 样品中 αs 和 β 薄片厚度的统计分布。

图 6. 本研究的Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al 合金的室温机械性能。(a) 本研究的钛合金在不同状态下的工程应力-应变曲线。(b) 本钛合金的屈服强度与总伸长率的对比，以及迄今为止报道的其他马氏体α'和回火马氏体α′钛合金的屈服强度与总伸长率的对比。马氏体 α′ Ti 合金：包括 Ti-4Mo、Ti-5Al-3Mo-1.5V、Ti-V-（Al，Sn）系列、Ti-V-Sn 系列、Ti-4.5Al-（2.0-2.5）Fe-0.25Si、TC4（不同先β晶粒尺寸）和 TC4-SLM (α′) 系列；回火马氏体 α′ Ti 合金（包括部分分解 α′ 相或完全分解 α′ 相）：TC4-SEBM、TC4-MA、TC4-传统工艺、TC4-STA、TC4-SLM（α+β）、TC4-SLM（片状α+β）、TC4-EBM（α′+β回火）和TC4-EBM 及 TC4-EDE、TC4-SLM（作为 HIP′ ed）。(c) 本研究的钛合金与其他已报道的强α′/β钛合金的比屈服强度与原材料成本的比较。

图 7. 钛-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金的断裂特性。(a) WQ 样品的真实应力-应变曲线显示了断裂功的计算结果。(b) 本研究的钛合金的断裂功与屈服强度的比较，以及已报道的可蜕变钛合金的断裂功与屈服强度的比较。(c) 目前的 Ti-Cr-Zr-Al 合金在不同热处理条件下的 J- 积分断裂抗力曲线。J-R 曲线由单边弯曲试样测得。(d) 本研究的合金与其他典型 α+β Ti 合金（包括 TC4 系列：（TC4-ELI 和TC4-F）和 TC4-DT、TC4-xFe（x = 0.1、0.3、0.5、0.7、0.9）、TC4（Widmanstätten、等轴和双峰结构）和 Ti-Al 系列：（Ti-6Al-2Mo-2Cr、Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe、Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe、Ti-7Al-4Mo、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Zr-2Sn-2Mo-1.5Cr-2Nb、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si 和Ti-5Al-2.5Fe)，以及可转移的 β Ti 合金，包括Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-5Al-4Zr-8Mo-7V、Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr、Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si、Ti-5Al-3Mo-3V-2Zr-2Cr-1Nb-1Fe、（Ti-6Al-2Sn-3Mo-1Cr-2Zr-2Nb、Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe、Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al和Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr）以及（Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo和Ti-2.5Al-12V-2Sn-6Zr)

图 8. 不同状态下Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al 合金的断裂特征。(a1) WQ 样品断裂表面的扫描电镜显微照片。(a1) 中的插图是断裂表面的放大图像，其中有大量凹陷。(a2）断裂表面的 SEM 图像显示了 αp/β 和 α′/β PB 处的空隙。(a3）断裂表面的 SEM 图像显示裂纹沿 αp/β 和 α′/β PB 扩展/偏转。(b1）400AC 样品断裂面的 SEM 显微照片。(b1) 中的插图是断裂表面的放大图像，显示出大量凹陷。(b2）断裂表面的扫描电镜图像显示了αp/β 和 α′dec/β PB 处的空隙。(b3) 扫描电镜图像显示了裂纹沿 αp/β 和 α′dec/β PB 的扩展/变形。(c1) 500AC 样品断裂面的扫描电镜显微照片。(c1)中的插图是断裂表面的放大图像，显示出跨晶裂纹状特征。(c2) 扫描电镜图像显示，宏观劈裂面实际上是由不连续的微空洞（橙色箭头）和非常细的凹槽（白色虚线）组成。(c3) αp/β 和 α′dec/β PB处存在空隙的相应次表面显示，即使在相当靠近空隙的位置，也无法辨别塑性变形痕迹（空隙扩展或裂纹偏转）。

图 9. WQ 和 500AC Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al 合金的变形亚结构。(a1-a4) 变形量为 3.2 % 的WQ 样品。(a1-a2) WQ 样品中位错的两束条件分析。位错由α′/β PB 沿α′薄片内的基底（0002）滑移系统发出，黄色破折号线表示。(a1) 中方框区域的进一步放大显微照片显示了 PB 的滑移传输事件，通过粉红色箭头突出显示。(a3-a4）HR-TEM 和相应的IFFT 图像显示了 α′/β PB 处的几个 RID，验证了位错传输活动，RID 用黄色符号"⊥"标记。(b1-b3）WQ 样品变形了 6.1%。(b1) TEM 图像显示，α′薄片内部的位错密度和位错相互作用（黄色箭头）较高。除了 (0002) 滑移系统外，许多差排还从相干的 PB 中成核，如橙色箭头所示。b1）中的插图是相应的选区电子衍射（SAED）图。(b2-b3）HR-TEM 和相应的IFFT 图像显示了 PB 上更多的 RID。(c1-c2）断裂应变时 500AC 样品中位错的两束条件分析。只有沿（0002）平面的滑移带被激活。

本研究通过马氏体转变成功设计出了具有高密度有序相干 α′/β PBs 的超高比强度和大延展性 Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al 合金。高密度的纳米马氏体厚度最薄处仅为∼22 nm，可在 400 °C下稳定，这使得目前这种具有成本效益的钛合金具有超高强度和韧性，断裂韧性极佳。通过纳米马氏体工程设计的分层有序相干 PB 策略不仅克服了传统钛合金中微米级 PB 密度低的缺点，还为合金的可持续和自硬能力提供了足够的位错源和障碍，从而实现了超高强度和韧性的结合。此外，本研究预计这种设计策略将适用于其他可代谢合金，如传统钢材和新兴的多组分合金，以实现超高强度、高延展性和卓越的韧性。（文：SSC）

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