中科院金属研究所高性能超细晶含铜钛合金研究取得重要突破

（2022 年4 月20 日消息）与常规晶粒尺度（5～10 μm）的钛合金相比，超细晶钛合金不仅具有更高的强度与良好的塑性匹配，同时还具有更高的耐磨性和更佳的生物相容性，在航空航天、生物医学等诸多重要应用领域中极具吸引力。然而，超细晶钛合金不仅制备加工极为困难，且组织的热稳定性较差，这两大瓶颈问题制约了超细晶钛合金的发展与应用。

中科院金属研究所杨柯团队长期从事新型医用金属材料的基础与应用研究。近期，团队成员任玲、王海等通过“双相壳层包裹超细等轴晶”的显微组织设计思想，同时从热力学、动力学两方面提高超细晶钛合金组织热稳定性，并利用常规热处理与热加工的工艺组合，实现了超细晶组织的大尺寸制备，解决了超细晶钛合金制备加工难、组织稳定性差的两大瓶颈问题，获得了性能优异和热稳定性高的超细晶含铜钛合金，研究取得重要突破。

研究团队近年来一直致力于含铜钛合金的结构与生物功能一体化研究与应用。在前期研究工作基础上，团队提出“共析元素合金化→淬火→热变形”（EQD）的超细晶含铜钛合金的制备策略，实现了双相壳层包裹超细等轴晶的显微组织的设计思想。该策略通过常规的热加工设备实现了α-Ti 晶粒尺寸在90～500 nm 范围内的超细晶Ti6Al4V5Cu 合金的大尺寸制备。与此同时，利用热变形过程中形成的β/Ti2Cu 双相蜂窝壳结构包覆α 晶粒，显著提高了超细等轴晶组织的热稳定性，使材料的失稳温度提高至973 K（0.55 Tm）。超细晶Ti6Al4V5Cu 合金的室温拉伸强度最高达到1.5 GPa，延伸率超过10%。在650 ℃和应变速率为0.01 s−1条件下，其拉伸延伸率超过1 000%，实现了超塑性变形。此外，超细晶Ti6Al4V-5Cu 合金在高温拉伸的热力耦合条件下未发生晶粒的粗化长大。该EQD 策略不仅实现了TiCu、TiZrCu 等其它钛合金的高性能、高热稳定性超细晶组织的制备，并已经拓展至包括钢铁材料在内的其它合金体系中，为超细晶金属材料的制备提供了新途径，对超细晶金属材料的设计和研究具有重要意义。