Nature子刊：局部有序氧結(jié)構(gòu)Ti5553合金，1.7GPa超高強塑性與疲勞強度
2025-08-08 16:46:09
作者：材料強化與防護(hù) 來源：材料強化與防護(hù)
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在航空航天應(yīng)用中輕量化設(shè)計目標(biāo)的推動下，解決強度和延展性之間固有的權(quán)衡困境，以及探究疲勞強度和強度-延展性之間的模糊關(guān)系，一直是實現(xiàn)高性能鈦（Ti）合金的重大挑戰(zhàn)。控制間隙氧 （O） 的添加已成為增強鈦合金機(jī)械性能的變革性策略。間隙O不僅通過間隙固溶強化，還通過影響亞穩(wěn)態(tài)相（ω、α'和α“等）的形成和定性來增強 Ti 合金的強度。鈦合金可以保持較好的延展性，但將延展性保持在高強度水平仍然很困難。此外，由于高 O 含量下疲勞壽命嚴(yán)重下降，對高 O 含量 Ti 合金抗疲勞性能的研究受到限制。因此，解決O偏析問題對于實現(xiàn)高O含量高強度和延展性鈦合金的工業(yè)化，以及揭示其在航空航天和其他苛刻應(yīng)用領(lǐng)域的潛力至關(guān)重要。化學(xué)局部有序（LRO）結(jié)構(gòu)包含化學(xué)短/中程有序（SRO/MRO）結(jié)構(gòu)，可以通過改變位錯剪切模式來協(xié)調(diào)變形，從而促進(jìn)加工硬化并增強金屬材料的抗疲勞性能。近日，長安大學(xué)聯(lián)合西北有色研究院副總工程師趙永慶教授團(tuán)隊通過粉末冶金短工藝制備的廣泛使用的 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr（Ti-5553）商業(yè)亞穩(wěn)態(tài)鈦合金，將 0.36 wt%的 O 引入到大尺度材料（長度 6 m 以上，直徑 16 mm）。LRO-O結(jié)構(gòu)增強抗疲勞性，實現(xiàn)了強度、延性和疲勞強度的三種性能協(xié)同作用。該論文于2025年8月4日在Nature子刊中在線發(fā)表。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62646-5
【核心內(nèi)容】
該研究將間隙O原子被定制為Ti-5553-0.36O合金中的LRO-O結(jié)構(gòu)，旨在減少甚至消除O偏析，并抑制界面處的裂紋成核。該結(jié)構(gòu)通過促進(jìn)<c>型位錯的形成，實現(xiàn)交叉滑移，在拉伸變形下將滑移由平面轉(zhuǎn)變?yōu)椴ɡ诵芜M(jìn)行塑性流動均質(zhì)化，并將<c>型位錯相互作用與孿生和主導(dǎo)平面滑移相結(jié)合，增強抗疲勞性。該合金具有高強度 （1.7 GPa）、伸長率（7.9%）和疲勞強度（1058.3 MPa），優(yōu)于許多高強度、高O的Ti合金。該研究結(jié)果為鈦合金提供了一條可擴(kuò)展的實用途徑，無需昂貴的合金元素即可獲得卓越的機(jī)械性能。
單軸拉伸和高周疲勞性能
【研究方法】
該研究中的Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-xO（x = 0.22 wt%和 0.36 wt%）合金是通過粉末冶金方法從制備的粉末混合物中合成的。粉末為含約0.15 wt%和0.3 wt%O 的氫化脫氫Ti 粉末、Al-Mo母合金粉末、純V和純Cr粉末。使用TEM和APT檢測了O在原子尺度上顯微結(jié)構(gòu)，并在EBSD和TEM中進(jìn)行原位拉伸試驗。
【研究成果】
① 短/中程氧有序顯微組織
該0.36 O合金的顯微組織表現(xiàn)出明顯的層狀結(jié)構(gòu)，αP相具有明顯的鏈狀形貌。合金的三維重建揭示了 4At.%O 的O等濃度表面表明O在合金的α相中相對均勻地分散，其分布表現(xiàn)為納米級的 LRO 結(jié)構(gòu)。
0.36 O合金中LRO-O，含短/中程 O（SRO-O/MRO-O）的顯微組織和特征
② 原位拉伸測試
該研究發(fā)現(xiàn)5%應(yīng)變下明顯存在交叉滑移，而10%應(yīng)變下拉伸載荷超過了附加滑移系統(tǒng)的臨界分離剪應(yīng)力，αP晶粒中出現(xiàn)額外的滑移線。其中LRO-O結(jié)構(gòu)通常促進(jìn)晶粒內(nèi)均勻位錯分布。此外，交叉滑移或多滑移系統(tǒng)的激活可以局部增加 GND 密度，而不會顯著改變晶體取向，從而保持相對較低的 KAM 和 GOS 分布。因此，0.36 O合金表現(xiàn)出優(yōu)異的變形均勻性，能夠承受極端的塑性變形。
0.36 O合金在室溫下的原位拉伸試驗
αP 相的位錯與MRO-O結(jié)構(gòu)相互作用，導(dǎo)致拉伸變形過程中形成SRO-O結(jié)構(gòu)。變形晶粒受到SRO-O結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)變硬化效應(yīng)明顯，增加了相鄰晶粒之間的應(yīng)力梯度，從而促進(jìn)滑移傳遞。0.22 O合金的失效歸因于變形孿生和位錯積累，其僅靠孿生無法承受不斷增加的應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)力集中加劇，內(nèi)部裂紋的萌生。在 HCF 試驗過程中，0.36 O合金α相的交叉滑移受到顯著抑制，并且α相在交變應(yīng)力下各向異性應(yīng)力分布引起多向平面滑移增強。而LRO-O 結(jié)構(gòu)的存在有效地抑制了循環(huán)加載過程中的位錯橫滑，并進(jìn)一步促進(jìn)了從波浪狀位錯滑移到平面位錯滑移的轉(zhuǎn)變。該轉(zhuǎn)變有助于減輕合金中表面變形和微裂紋的擴(kuò)展。
【總結(jié)與展望】
該項研究通過摻入氧定制納米級局部氧有序結(jié)構(gòu)LRO-O，這種直接增強合金設(shè)計的方法，具有全面的高性能，并且可以很容易地擴(kuò)大規(guī)模以應(yīng)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件;因此，研究結(jié)果為金屬材料的未來發(fā)展提供了重要的見解，同時為鈦合金提供了一條可擴(kuò)展的實用途徑，無需昂貴的合金元素即可獲得卓越的機(jī)械性能。
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