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北京理工大學金屬頂刊《Acta Materialia》增強型動態壓縮性能的低密度近α鈦合金

2024-12-19 11:32:43 作者：材料研究進展來源：材料研究進展分享至：

1研究背景

隨著現代工業和航空航天領域對材料性能要求的不斷提高，特別是在沖擊載荷環境下的應用，對鈦合金的動態性能提出了更高的要求。鈦合金因其低密度、高比強度和優異的耐腐蝕性而被廣泛應用于商業飛機和載人航天飛行中。在沖擊載荷下，劇烈的塑性變形會產生熱量，導致局部溫度升高和應變軟化，這與絕熱剪切帶（ASBs）的形成有關，并可能導致塑性不穩定甚至失效。因此，開發適用于高應變率服務環境的高性能鈦合金變得尤為重要。動態機械性能與微觀結構、塑性變形載體和熱耗散機制密切相關。在這項研究中，研究人員專注于通過微觀結構工程和熱力學分離-耗散機制的耦合來開發具有優異動態響應的鈦合金。

2成果簡介

在這項研究中，研究人員報道了一種低密度近α鈦合金Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C，其密度僅為4.36 g/cm³，展現出卓越的動態壓縮性能，包括約1.72 GPa的出色動態強度和約27.2%的動態壓縮應變。這些性能的提升歸因于變形誘導的層狀微觀結構和變形促進的碳偏聚的協同效應。該合金由納米有序Ti3Al (α2)粒子增強的等軸α相晶粒和β相邊界粘結而成。在準靜態和動態壓縮測試中，合金發展出雙相層狀微觀結構，并且塑性變形促進了α相晶粒中碳沿滑移軌跡的動態偏聚。塑性變形在α和β相中主要由位錯滑移承擔。雙相層狀微觀結構的形成歸因于α相晶粒中的塑性流動穩定性與激活的棱柱<a>位錯和金字塔<c+a>位錯以及相對硬的β相施加的幾何約束有關。劇烈塑性變形在α相產生的熱量通過促進碳偏聚來耗散，這種基于偏聚的熱耗散機制有效地延緩了與動態再結晶相關的應變軟化。由于α和β相之間的塑性變形不兼容性，最終觸發了剪切不穩定性，導致層狀微觀結構的局部旋轉。在幾何剪切帶中發生了絕熱剪切帶（ASBs）。在剪切帶中，劇烈變形產生的熱量促進了動態再結晶和應變軟化。

3圖文導讀

圖1：動態壓縮實驗的示意圖，展示了使用停止環的動態壓縮實驗。

圖2：退火態Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金的微觀結構。(a) BSE形貌圖。(b) EBSD反極圖。(c) TEM明場圖像。(d) 從(c)中藍色圓圈區域記錄的SAED圖案。(e) 從(c)中白色圓圈區域記錄的SAED圖案。(f) 對應于α2相的TEM暗場圖像。

圖3：Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金在不同動態壓縮應變下的SEM形貌圖。(a) 5%。(b) 10%。(c) 15%。(d) 斷裂。

圖4：Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金在不同準靜態壓縮應變下的SEM形貌圖。(a) 5%。(b) 10%。(c) 15%。(d) 斷裂。

圖5：α晶粒中大量白條紋的SEM圖。(a) 動態壓縮樣品至斷裂。(b) 準靜態壓縮樣品至斷裂。(c) 準靜態壓縮樣品15%應變前未蝕刻的BSE形貌圖。(d) 樣品表面蝕刻后的相應SEM形貌圖。(e) 相應區域的EBSD圖。(f) G1的棱柱面滑移跡。(g) G2的棱柱面滑移跡。

4小結

研究人員通過實驗和理論分析，成功開發了一種新型低密度近α鈦合金Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C，該合金在沖擊載荷下展現出卓越的動態壓縮性能。這種性能的提升主要得益于合金中變形誘導的層狀微觀結構和變形促進的碳偏聚的協同作用。研究結果表明，通過微觀結構設計和熱力學分離-耗散機制的耦合，可以有效提升鈦合金的動態響應性能。這一發現為未來鈦合金在極端服務條件下的應用提供了新的設計思路，特別是在需要高動態性能和優異沖擊吸收能量的領域，如航空航天和高速交通工具。研究人員的工作不僅推動了鈦合金材料科學的發展，也為相關工業應用提供了重要的技術支撐。

文獻：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120653

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