金属所高性能超细晶含铜钛合金研究取得突破

与常规晶粒尺度（5-10μm）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。

中国科学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（图1），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。近期，相关研究成果在《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表。

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（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）。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（0.55Tm）（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）。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。

以上工作由金属所杨柯、任玲团队，澳大利亚皇家墨尔本理工大学邱冬团队，金属所沈阳材料科学国家研究中心陈星秋团队等合作完成。金属所王海助理研究员为第一作者，金属所任玲项目研究员、澳大利亚皇家墨尔本理工大学邱冬教授为通讯作者。

该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点与面上项目、中国科学院国际合作重点项目、辽宁省“兴辽英才计划”等资助。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29782-8

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小时后仍然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；（e）相界面滑移对材料的超塑性变形发挥了重要的作用。