?與常規(guī)晶粒尺度（5-10μm）的鈦合金相比，超細晶鈦合金具有更高的強度與良好的塑性匹配，以及更高的耐磨性和更佳的生物相容性，在航空航天、生物醫(yī)學等領(lǐng)域頗具應(yīng)用價值。然而，超細晶鈦合金制備加工較為困難，且組織的熱穩(wěn)定性較差，這制約了超細晶鈦合金的發(fā)展與應(yīng)用。
中國科學院金屬研究所楊柯團隊致力于新型醫(yī)用金屬材料的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。近日，該團隊成員任玲、王海等運用“雙相殼層包裹超細等軸晶”的顯微組織設(shè)計思想（圖1），從熱力學、動力學兩方面提高超細晶鈦合金組織熱穩(wěn)定性，并利用常規(guī)熱處理與熱加工的工藝組合，實現(xiàn)了上述顯微組織的大尺寸制備，解決了超細晶鈦合金制備加工難、組織穩(wěn)定性差的問題，獲得了性能優(yōu)異和熱穩(wěn)定性高的超細晶含銅鈦合金。4月19日，相關(guān)研究成果以Manufacture-friendly nanostructured metals stabilized by dual-phase honeycomb shell為題，在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。
近年來，該團隊主要從事含銅鈦合金的結(jié)構(gòu)與生物功能一體化研究與應(yīng)用。在前期研究的基礎(chǔ)上，科研人員提出“共析元素合金化→淬火→熱變形”（EQD）的超細晶含銅鈦合金的制備策略（圖2），實現(xiàn)了雙相殼層包裹超細等軸晶的顯微組織的設(shè)計思想。該策略通過常規(guī)的熱加工設(shè)備實現(xiàn)了α-Ti晶粒尺寸在90-500 nm范圍內(nèi)的超細晶Ti6Al4V5Cu合金的大尺寸制備（圖2）。同時，研究利用熱變形過程中形成的β/Ti2Cu雙相蜂窩殼結(jié)構(gòu)包覆α晶粒，顯著提高了超細等軸晶組織的熱穩(wěn)定性，使材料的失穩(wěn)溫度提高至973 K（0.55Tm）（圖3）。超細晶Ti6Al4V5Cu合金的室溫拉伸強度最高達到1.5 GPa，延伸率超過10%。在650℃和應(yīng)變速率為0.01 s-1條件下，其拉伸延伸率超過1000%（圖1），實現(xiàn)了超塑性變形。此外，超細晶Ti6Al4V-5Cu合金在高溫拉伸的熱力耦合條件下未發(fā)生晶粒的粗化長大（圖4）。EQD策略實現(xiàn)了TiCu、TiZrCu等其他鈦合金的高性能、高熱穩(wěn)定性超細晶組織的制備，并已拓展至包括鋼鐵材料在內(nèi)的其他合金體系，為超細晶金屬材料的制備提供了新途徑，這對超細晶金屬材料的設(shè)計和研究具有重要意義。
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金重點項目/面上項目、中科院、遼寧省“興遼英才計劃”等的支持。澳大利亞皇家墨爾本理工大學、沈陽材料科學國家研究中心等的科研人員參與研究。
圖1.雙相蜂窩殼結(jié)構(gòu)納米晶Ti6Al4V5Cu合金的組織設(shè)計與性能：a、組織設(shè)計示意圖；b、失穩(wěn)溫度-晶粒尺寸圖，顯示材料具有良好的組織熱穩(wěn)定性；c、室溫強度-延伸率圖，相較于其它
鈦合金，材料具有良好的強塑性匹配；d、650℃/0.01s-1條件下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，材料的延伸率超過1000%。
圖2.雙相蜂窩殼結(jié)構(gòu)納米晶Ti6Al4V5Cu合金的組織表征與形成機制分析：a、HAADF成像模式觀察；b、能譜面掃描觀察；c、雙相蜂窩殼結(jié)構(gòu)形成機制示意圖；d、XRD衍射圖譜；e、β·cos(θ)-sin(θ)圖，添加Cu使淬火后合金內(nèi)的微觀應(yīng)變增大；f、添加Cu細化了馬氏體板條；g、添加Cu有利于合金在熱變形過程中發(fā)生柱面滑移而形成等軸晶結(jié)構(gòu)。
圖3.雙相蜂窩殼結(jié)構(gòu)納米晶Ti6Al4V5Cu合金的組織熱穩(wěn)定性分析：a、在不同溫度保溫1小時后的EBSD組織；b、高分辨TEM觀察，表明α、β、Ti2Cu相之間具有特定的晶體學取向關(guān)系；c、基于第一性原理計算材料相界能的模型；d、EBSD極圖，表明α、β、Ti2Cu相在700℃保溫1小時后仍可以保持初始的取向關(guān)系；e、Ti6Al4V5Cu合金初始態(tài)組織的3DAP分析；f、Ti6Al4V5Cu合金在650℃保溫1小時后的3DAP分析
圖4.原位SEM觀察在650℃拉伸過程中的演變：a、初始態(tài)SEM組織；b、局部放大顯示材料具有蜂窩殼結(jié)構(gòu)；c、ε=0.4時的SEM組織；d、局部放大顯示相界周圍的FIB刻痕發(fā)生了偏折；e、基于FIB刻痕節(jié)點位移計算材料內(nèi)的微觀應(yīng)變分布；f、相界面滑移對材料的超塑性變形發(fā)揮了重要的作用。
