金属所高性能超细晶含铜钛合金研究获进展

与常规晶粒尺度（5-10μm）的钛合金相比，超细晶钛合金具有更高的强度与良好的塑性匹配，以及更高的耐磨性和更佳的生物相容性，在航空航天、生物医学等领域颇具应用价值。然而，超细晶钛合金制备加工较为困难，且组织的热稳定性较差，这制约了超细晶钛合金的发展与应用。

中国科学院金属研究所杨柯团队致力于新型医用金属材料的基础与应用研究。近日，该团队成员任玲、王海等运用“双相壳层包裹超细等轴晶”的显微组织设计思想（图1），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，实现了上述显微组织的大尺寸制备，解决了超细晶钛合金制备加工难、组织稳定性差的问题，获得了性能优异和热稳定性高的超细晶含铜钛合金。4月19日，相关研究成果以Manufacture-friendly nanostructured metals stabilized by dual-phase honeycomb shell为题，在线发表在《自然–通讯》（Nature Communications）上。

近年来，该团队主要从事含铜钛合金的结构与生物功能一体化研究与应用。在前期研究的基础上，科研人员提出“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（图2），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（图2）。同时，研究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（0.55T_m）（图3）。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1000%（图1），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（图4）。EQD策略实现了TiCu、TiZrCu等其他钛合金的高性能、高热稳定性超细晶组织的制备，并已拓展至包括钢铁材料在内的其他合金体系，为超细晶金属材料的制备提供了新途径，这对超细晶金属材料的设计和研究具有重要意义。

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目/面上项目、中科院、辽宁省“兴辽英才计划”等的支持。澳大利亚皇家墨尔本理工大学、沈阳材料科学国家研究中心等的科研人员参与研究。

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图1.双相蜂窝壳结构纳米晶Ti6Al4V5Cu合金的组织设计与性能：a、组织设计示意图；b、失稳温度–晶粒尺寸图，显示材料具有良好的组织热稳定性；c、室温强度–延伸率图，相较于其它钛合金，材料具有良好的强塑性匹配；d、650℃/0.01s^-1条件下的拉伸应力–应变曲线，材料的延伸率超过1000%

图2.双相蜂窝壳结构纳米晶Ti6Al4V5Cu合金的组织表征与形成机制分析：a、HAADF成像模式观察；b、能谱面扫描观察；c、双相蜂窝壳结构形成机制示意图；d、XRD衍射图谱；e、β·cos(θ)-sin(θ)图，添加Cu使淬火后合金内的微观应变增大；f、添加Cu细化了马氏体板条；g、添加Cu有利于合金在热变形过程中发生柱面滑移而形成等轴晶结构

图3.双相蜂窝壳结构纳米晶Ti6Al4V5Cu合金的组织热稳定性分析：a、在不同温度保温1小时后的EBSD组织；b、高分辨TEM观察，表明α、β、Ti₂Cu相之间具有特定的晶体学取向关系；c、基于第一性原理计算材料相界能的模型；d、EBSD极图，表明α、β、Ti₂Cu相在700℃保温1小时后仍可以保持初始的取向关系；e、Ti6Al4V5Cu合金初始态组织的3DAP分析；f、Ti6Al4V5Cu合金在650℃保温1小时后的3DAP分析

图4.原位SEM观察在650℃拉伸过程中的演变：a、初始态SEM组织；b、局部放大显示材料具有蜂窝壳结构；c、ε=0.4时的SEM组织；d、局部放大显示相界周围的FIB刻痕发生了偏折；e、基于FIB刻痕节点位移计算材料内的微观应变分布；f、相界面滑移对材料的超塑性变形发挥了重要的作用