鈦及鈦合金粉末冶金制備技術在新型合金成分設計、組織均勻調控、近終形制備及產品穩定性等方面具有顯著優勢。然而，高活性鈦粉極易受間隙氧元素污染，導致其粉末冶金制件力學性能嚴重惡化。鈦合金（如Ti6Al4V）一般對氧的臨界容忍含量為 0.33 wt.%，一旦超出其塑性大幅下滑。因此，如何解決高氧鈦粉的氧脆化問題是實現其在高性能粉末冶金鈦制件應用的關鍵。

近日，北京科技大學路新教授團隊提出了鈣系化合物原位固氧提升高氧鈦制件強塑性的新方法，相關工作在金屬材料頂刊Acta Materialia上發表了題為“Achieving synergy of strength and ductility in powder metallurgy commercially pure titanium by a unique oxygen scavenger”的研究論文，論文第一作者為潘宇副教授，通訊作者為路新教授。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119485

該工作首先揭示了高氧鈦粉中氧雜質元素的存在形式，一部分氧以間隙固溶形式存在基體中，另一部分氧以連續氧化膜形式存在粉末表面，TEM和XPS結果證實粉末表面存在一層由TiO₂、Ti₂O₃和TiO組成的連續氧化膜，厚度約為 9.3 nm，且該氧化膜在700~800 ℃開始向鈦基體中大量溶解。為了避免間隙氧固溶對鈦制件力學性能的惡化，提出在粉末表面氧化膜溶解前實現吸附固氧，探明了氧吸附劑CaC₂與鈦粉表層氧化膜的反應相變機制。氧吸附劑CaC₂與氧化膜的反應溫度為 617~676 ℃，抑制間隙氧固溶的同時在鈦基體中原位生成納米CaTiO₃和微米TiC顆粒，有效細化了組織晶粒。氧吸附劑對鈦基體的“固氧凈化”作用大幅提升其室溫塑性，同時衍生的多級多尺度陶瓷相顆粒產生的細晶強化、Orowan強化、承載強化等有效提升了鈦制件的力學強度。因此添加了0.4 wt.%CaC₂的鈦制件在4000ppm高氧含量條件下，其室溫延伸率仍高達29.3%，抗拉強度也達到 621 MPa，遠優于ASTM-B381鍛造鈦合金標準中同等氧含量的鈦制件力學性能指標（15%和550 MPa）。本研究揭秘了高氧條件下高強塑粉末冶金鈦制件的性能改善機制，對于推進鈦合金領域低成本化應用進程具有重要意義。

圖1 (a) 原料鈦粉SEM圖; (b) 鈦粉表面氧化膜TEM圖; (c) 氧化膜元素面掃; (d)表面氧化膜HRTEM圖; (e) 藍框區域FFT圖；(f) 紅框區域IFFT圖；(g) 原料鈦粉XPS分析。

圖2 CP-Ti和Ti-xCaC₂合金的XRD分析(a-b)和EBSD分析(c-h)；CP-Ti(c,f)，Ti-0.4CaC₂(d,g)和Ti-1.0CaC₂(e,h)的IPF圖和晶粒統計圖。

 圖3 Ti-0.4CaC₂合金的TEM分析：(a) 明場圖; (b-e) 點1-3的SAED衍射圖; (d) 元素點掃圖; (f) 元素面掃圖; (g)衍生CaTiO₃顆粒的高倍明場圖; (h) 相界面HRTEM圖。

 圖4 Ti-0.4CaC₂合金晶界處和含鈣氧化物顆粒位置的APT分析：(a) Ti, Ca, O和C原子分布圖; (b,c) 晶界和氧化物顆粒元素線掃圖；(d) Ca、O原子三維重構圖。

圖 5. (a) CP-Ti和Ti-xCaC2合金的室溫拉伸工程應力-應變曲線; (b) 拉伸數據綜合對比; CP-Ti(c)、Ti-0.2CaC2(d)和Ti-1.0CaC2(e-f)合金的拉伸斷口分析。

【作者簡介】

通訊作者：

路新，北京科技大學教授，博導，全國五一巾幗標兵，國家重大人才工程計劃入選者，國家優秀青年基金獲得者，全國黃大年式教師團隊核心成員。兼任《粉末冶金技術》期刊副主編、中國材料研究學會青年工作委員會常務理事。以第一完成人獲中國有色金屬工業科技發明一等獎等行業科技獎6項。先后主持國家級、省部級及產學研項目80余項，發表論文150余篇，制定標準4項，出版專著2部，申獲國家專利60余項，10項產業化轉讓。個人獲北京市優秀德育工作者、北京市教書育人先鋒、中國冶金青年科技獎、杰出工程師青年獎、全國有色金屬優秀青年科技獎、首都女教授“科技之星”等多項榮譽。

第一作者：

潘宇，北京科技大學特聘副教授，碩導，國家博新計劃入選者。主持國家自然科學基金、中國博士后創新人才支持計劃、博士后科學基金面上項目、北京科技大學人才引進項目等；以一作/通訊于Acta Mater., Corros. Sci., J. Mater. Sci. Technol.等國內外高水平期刊發表SCI論文26篇，申獲國家發明專利40余項，美國/歐洲專利2項，已授權26項；出版專著2部，編制標準1項。獲教育部技術發明二等獎、中國發明協會“發明創新”一等獎、中國有色金屬學會優秀博士論文、北京科技大學“校長獎章”等多項榮譽。