Nat. Commun：钛合金的巨大热膨胀和α-析出路径

【引言】

钛合金是航空航天和金属生物领域的主要结构材料。具有理想结构和功能特性的β-稳定钛合金是生物医学和工程应用领域多功能材料的代表。快速冷却后杨氏模量低于80GPa的合金成分为开发承重植入物应用的新型低模量合金提供了合适的起点。β-稳定化钛合金由于比强度高，已越来越多地用于各种航空航天领域，如机身和起落架。由于体心立方β相的热弹性马氏体相变为正交马氏体α''，该合金族也展示了形状记忆和超弹性行为。通过优化复杂的热机械加工路径可以控制显微组织参数尽而来控制这些合金的机械和功能性能。

【成果简介】

近日，德国莱布尼兹固态与材料研究所，德累斯顿工业大学和伊利诺伊大学香槟分校的Matthias Bönisch教授(通讯作者)在Nat. Commun上发表了一篇题为“Giant thermal expansion and α-precipitation pathways in Ti-alloys”的文章。报道了加热过程中Ti-Nb合金在原位同步辐射衍射下的结构变化和相变。曾经报道过这些材料表现出各向异性热膨胀屈服，最大的线性膨胀系数为+ 163.9×10^-6到-95.1×10^-6℃^-1。此外，研究人员描述了由扩散基正交结构介导的α相析出的两种途径，α″_lean和α″_iso。通过将晶格参数耦合到成分，两相通过排出Nb而转化成α。这些发现有可能促进Ti-Nb合金和β稳定化钛合金的新型微结构设计方法。

【图文导读】

图1 ：相变随温度变化的概述

a 、在10℃min^-1加热马氏体Ti-（16,21,28.5,36）Nb合金期间记录的等时热流曲线。

b、图a中由虚线包围区域的Ti-36Nb放大图。差示扫描量热曲线是从以前的研究改编的。

均匀淬火的c Ti-28.5Nb和d Ti-36Nb的光学显微组织表明c = 16,21,28.5的完全α″- 马氏体组织和c = 36的部分奥氏体组织。c和d的低倍图像的比例尺是200μm，且c的放大部分的比例尺是50μm。

图2 ：原位同步加速器X射线衍射图谱的演变

a Ti-16Nb，b Ti-21Nb，c Ti-28.5Nb和d Ti-36Nb在10℃min^-1加热过程中的结果。

在每幅图的左侧，识别了在室温下初始状态存在相的反射；图的右侧，确定了在加热期间形成的相。对于每个相，标记了其第一次出现时的反射位置（即，对于最低温度）

图3 ：加热引起晶格几何形状的变化

在10°C min^-1加热过程中的晶格结构演化，a Ti-16Nb，b Ti-21Nb，c Ti-28.5Nb和d Ti-36Nb。

对于每种成分，上图显示了检测到的所有相的精确晶格参数，下图显示了正交相的b和c相对于α的比率。

图4 ：马氏体分解

在等时加热（10℃min^-1）期间的原位同步加速器X射线衍射图显示了α″马氏体分解为α和β相，a Ti-16Nb和b Ti-21Nb。对于Ti-21Nb，α″_lean的反射被示例性地标注。

图5 ：Ti-21Nb马氏体分解温度区间的放大

a在520°C时，Q≌ 2.52Å^-1处，对应于第二个正交晶系分量（020）或{1010(-)}_α的衍射强度增加。

b α″_lean, _II和α的晶格参数由开放符号标注

图6 ：α″_iso的形成

在10℃min^-1下加热的Ti-28.5 Nb的原位同步加速器X射线衍射图谱表明了在进一步加热过程中，马氏体转变点以上α″_iso的形成以及逐渐演变为α。

表1：与文献相比较，马氏体Ti–Nb合金的热膨胀率

Ti-(16-36)Nb的α″马氏体的线性和体积热膨胀系数与TiNi基合金中马氏体B19和B19'的比较^{30, 32}。(Co,Mn)GaNi^30,31合金中的四方马氏体展现了在已知结晶固体中最大各向同性（正的和负的）以及最强的热膨胀各向异性^27-29。也报道了Ti-36Nb奥氏体β的膨胀系数。在第二列中指出了每种材料的晶系：O斜方晶系，M单斜晶系，R菱形晶系，C立方晶系，T四方晶系。所有数值都在第三栏所示的温度范围内，当前工作的相对不确定度<10％。在最后两列给出了 b _α″/a _α″ 和 c _α″/a _α″  随温度的相对变化。

表2：各个相的空间群和Wyckoff位置

【小结】

α″马氏体是迄今为止报道的具有最大正热膨胀系数和最大负热膨胀系数的金属材料之一。此外，在α相形成之前的高温下，从母相中排出的Nb促进了基于扩散的中间相α″_lean 和 α″_iso的形成。随着将Nb排出到周围的溶质中，两相逐步演变成α相。该发现将会扩大β-稳定化钛合金的应用范围，并为改善其机械和功能行为提供新的思路。

文献链接：Giant thermal expansion and α-precipitation pathways in Ti-alloys（Nat.Commun，2017，DOI: 10.1038/s41467-017-01578-1）

 本文由材料人编辑部金属材料学术组Sweet供稿，材料牛编辑整理。

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