西安交通大学在低成本高强韧钛合金设计方面取得新进展

高比强度钛合金是实现节能减排以及轻量化的重要结构材料，可通过调节晶界(GBs)和异相界面(PBs)的密度和空间分布特征优化其宏观力学性能。对于钛合金，除了扩散相变(β→α)外，还可以通过快速冷却条件下的无扩散位移转变(β→α′)引入高密度PBs。但由于钛合金中尺寸为几十甚至几百微米的较大β晶粒往往会形成微米级和亚微米级的马氏体片层，导致相界面密度低而屈服强度不高。因此，利用晶界工程(GBE)构建具有精细微观组织的高强韧钛合金仍然存在挑战。为此，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室孙军院士团队提出了采用化学界面工程(CBE)制备纳米马氏体的新策略。基于高温下合金元素之间显著的扩散失配可以构筑高密度化学界面(CBs，定义为在晶格连续区域内至少一个元素存在浓度梯度的不连续)的设计思想，考虑到不同合金元素在BCC-Ti和HCP-Ti基体中扩散速率的差异，选用低成本快扩散元素Cr和慢扩散元素Al，以Ti-xCr-4.5Zr-5.2Al(x=1.8, 2.3, 2.8wt%)合金为模型材料，通过快扩散元素Cr调控化学界面的密度。高温状态下Cr、Al元素的扩散失配形成高密度CBs，这些CBs可以将每个β晶粒分割成大量贫Cr和富Al纳米域。在随后水冷过程中，马氏体更容易在这些富Al或贫Cr纳米域中形核，即这些富含Al或贫Cr的纳米域作为纳米马氏体形核位点，而化学界面则作为马氏体长大的壁垒，限制其快速生长。基于CBE理念，团队在Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金中成功创造了迄今为止最小尺寸的纳米马氏体(平均尺寸为20±6 nm)，且与当前已报道的其他马氏体钛合金相比，该钛合金成本最低，具有比强度最高且强塑性匹配优异等特点。团队提出的CBE设计策略突破了钛合金原有微观组织/合金成分设计理念和热机械加工方法的局限，为设计高性能先进钛合金和其他具有类似特性的金属结构材料提供了新的思路。

该研究成果以《层级纳米马氏体构造的低成本超高强塑钛合金》(Hierarchical nano-martensite-engineered a low-cost ultra-strong and ductile titanium alloy)为题发表于《自然-通讯》。

来源：西安交通大学官网