導(dǎo)讀：間質(zhì)溶質(zhì)（例如O，N）通常可以增強(qiáng)強(qiáng)度，但是，它們也導(dǎo)致鈦（Ti）合金的延展性顯著降低甚至脆化。因此，使用不可避免的間隙O和N原子來(lái)獲得具有超高比強(qiáng)度的低成本、韌性Ti合金對(duì)于工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。本文以Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N（wt.%）合金為模型材料，通過(guò)微米級(jí)初級(jí)α、納米級(jí)次級(jí)α和超細(xì)α-Widmanst tten納米沉淀在β基體中，成功地獲得了高達(dá)1800 MPa的超高屈服強(qiáng)度。

具有高延展性的超強(qiáng)合金對(duì)于解決輕量化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)至關(guān)重要，這使得高比強(qiáng)度鈦（Ti）合金成為航空航天和軍事工業(yè)中使用的最有前途的材料。Ti合金的高成本是大多數(shù)工程應(yīng)用的障礙。除了原材料的成本外，這些間質(zhì)溶質(zhì)，例如O和N，推動(dòng)了加工和制造中凈化成本的增加，以避免其對(duì)機(jī)械性能的毒害作用，例如氧脆化（通常與晶界（GB）開(kāi)裂有關(guān)）。另一方面，微觀結(jié)構(gòu)敏感設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)低成本、超強(qiáng)和韌性Ti合金的更好途徑。在這些晶格缺陷中，GB和異質(zhì)相邊界（PB）在通過(guò)所謂的晶界工程（GBE）調(diào)整合金的機(jī)械性能方面特別有效，例如，調(diào)節(jié)GB/PB的數(shù)量或排列。

由于Ti合金的GB相關(guān)性能受到在熱負(fù)荷下GB的不穩(wěn)定性（低熱穩(wěn)定性/高遷移率）的限制，因此目前，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和韌性Ti合金的流行策略是在β-基體中構(gòu)建分層α納米結(jié)構(gòu)，通過(guò)引入豐富的PBs，可以顯著提高強(qiáng)度，加工硬化能力和延展性。通常，位錯(cuò)克服障礙物所需的臨界應(yīng)力與障礙物的平均間距成反比，獲得微結(jié)構(gòu)中具有較小平均顆粒間距的納米沉淀一直是人們追求的目標(biāo)，從而可以增強(qiáng)甚至延展/韌化合金。

實(shí)際上，鈦合金中GB缺陷的處理，特別是利用這些間隙雜質(zhì)，是值得關(guān)注的，因?yàn)樗鼮樘岣邚?qiáng)度-延性組合提供了另一個(gè)自由度。力學(xué)上，連續(xù)富集α-GBs的α-穩(wěn)定劑（如O和N元素）強(qiáng)度低于沉淀硬化的β-基體，這導(dǎo)致α-GBs與轉(zhuǎn)化β-基體（βtrans）強(qiáng)度不匹配，具有明顯的應(yīng)變不親和性，從而導(dǎo)致低延性，這是由晶間斷裂和強(qiáng)度大散射引起的。最近，為了緩解連續(xù)αGBs對(duì)β - c合金力學(xué)性能（特別是延性）的不利影響，通過(guò)微量c摻雜和冷加工，在β-c合金中發(fā)展了一種不連續(xù)α結(jié)構(gòu)。使用透鍛，也可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，以提高Ti-1023合金的強(qiáng)度-塑性平衡。抑制連續(xù)αGBs可以提高鈦合金的延展性和韌性。

因此，有必要設(shè)計(jì)一種能提高間質(zhì)耐雜Ti合金的GB力學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)提高強(qiáng)度和延性的微觀組織設(shè)計(jì)，以獲得更好的抗斷裂性能。西安交通大學(xué)張金鈺教授團(tuán)隊(duì)受Ti基復(fù)合材料中與GB相關(guān)的增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了直接由β-GB開(kāi)發(fā)的新型納米級(jí)α-Widmanst tten側(cè)板（αWGBs）來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。在鈦合金中，αWGBs相與基體的應(yīng)變相容性優(yōu)于常規(guī)粗結(jié)構(gòu)Widmanst tten相，能有效鈍化裂紋尖端，從而阻止裂紋擴(kuò)展。特別是在鈦合金的加工和制造過(guò)程中有意或自然加入的間隙（O, N）原子，往往對(duì)合金的力學(xué)性能有害，充分利用這些間隙（O, N）原子來(lái)設(shè)計(jì)滲透αWGBs網(wǎng)絡(luò)，以抑制αGBs，提高GB的內(nèi)聚力和應(yīng)變相容性。結(jié)果表明，采用由微米級(jí)初生α相（αp）、納米級(jí)初生α相（αs）和αWGBs納米板組成的新型非均質(zhì)組織，制備了低成本、韌性好的Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N（Ti-1800）合金，獲得了高達(dá)1780 MPa的高屈服強(qiáng)度。

相關(guān)研究成果以題“Making a low-cost duplex titanium alloy ultra-strong and ductile via interstitial solutes”發(fā)表在Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422007881

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