悉尼大学Materials today: 在增材制造Ti-6Al-4V合金中引入一种由固溶态氧稳定的全新面心立方相，从而全面提升材料的力学性能
引言
钛及其合金——特别是Ti-6Al-4V——有着高强度和优异的耐腐蚀性，因此它们广泛应用于从航空航天到生物医学植入等关键应用领域。其塑性变形能力是有限的，在很大程度上由低温α相的密排六方(HCP)结构所决定。关于Ti的面心立方 (FCC) 相是否可以在室温下稳定存在的争议可以追溯到几十年前。此前研究者们普遍认为，Ti的FCC形式要么是金属间化合物，如氢化物，要么是当钛合金受到电子束或电离辐射时，所出现的高度局域化和缺陷稳定的亚稳态相。
现有争论主要集中在以间隙原子形式存在于钛合金中的轻元素如H、C、N和O与基体Ti作用的不确定性上。众所周知，在钛合金中，O在低浓度时具有显著的强化效应，而在较高浓度时，这可能很快变成脆化效应。因此，在钛合金的常规冶金加工中，精确控制间隙元素含量是一个重要的考虑因素。金属增材制造(AM)过程中的快速凝固、交替热循环和热应力造就了高度非平衡态的微观结构，这与传统冶金加工所遇到的情况有很大差异。AM过程中较高的热梯度，快速的温度变化和热累积，再加上原材料（金属粉末）和打印环境大大增加了引入间隙元素的可能性，并最终影响材料的强度、延展性、疲劳寿命及其他关键性能。最近有研究表明，此类动力学过程能够引入间隙位置强化，有助于同时增强某些材料的强度和延展性。在这里，我们在激光粉末床打印Ti-6Al-4V的过程中，通过引入间隙态氧元素，从而导致了FCC Ti相的形成，显著地提升了材料的力学性能。
成果简介
近日，悉尼大学廖晓舟教授（共同通讯作者），Simon Ringer教授（共同通讯作者），共同第一作者王昊，崔相远博士，迪肯大学徐嵬教授（共同通讯作者），晁琦博士（共同第一作者），香港理工大学陈子斌博士 （共同通讯作者）与团队成员利用透射电子显微镜、扫描电子显微镜和三维原子探针技术在激光粉末床打印的Ti-6Al-4V 中发现了固溶态氧稳定的面心立方FCC相。该FCC相被命名为C相，有着0.406 nm的晶格常数，同时与母相α' （马氏体相）具有如下特定的取向关系：(0001)a'//{111}C, 且 //。作者发现该C 相的形成是由热梯度、马氏体相变引起的变形和局部O元素富集共同作用的结果，使得在高温下可以实现从密排六方α′相到C相的原位相变。密度泛函理论计算(DFT)表明，FCC结构的八面体间隙中的氧占用在能量上优于α′相的相应位置。原位力学测试结果表明，FCC相的存在显著提高了样品的局部屈服强度，从只含α′相时的1.2 GPa提高到α′相和FCC相体积分数基本相等时的1.9 GPa。与此同时，块体材料的塑性与加工硬化率都有提升。该工作为增材制造高性能钛合金设计提供了新的途径。
该研究成果以“Introducing C Phase in additively manufactured Ti-6Al-4V: a new oxygen-stabilized face-centred cubic solid solution with improved mechanical properties” 为题刊登在2022年11月18日出版的Materials today上。
图文导读
图1：扫描电镜数据展示增材制造钛铝钒合金样品中C相体积分数随样品高度的变化。
a) 示意图指出了扫描电镜样品和透射电镜样品的取样位置。
b) 顶层样品的扫描电镜电子背散射衍射相图，主要结构为α' 马氏体（红色区域）。
c) 中层样品的扫描电镜电子背散射衍射相图，主要结构为α' 马氏体与C相（即FCC相，绿色区域）。
d) 双相区域的投射菊池衍射相图，主要结构为α' 马氏体与C相。
e) 对应的透射电镜(TEM)明场相，插图为对应的衍射花样。
图2：对C相的透射电镜(TEM)表征
a -b) 在[001]和[011]轴态下C相的扫描透射高角环形暗场像。
c -d) 对应的快速傅里叶转换倒空间点阵。
e -f) C相与α'相的TEM明场相与对应的衍射花样。
g) 双相区域的原子分辨像，表明了两相取向关系为(0001)a'//{111}C, and //。
图3：对C相的元素分析
- a) TEM暗场相，亮衬度区域为C相。
b -c) 该区域对应的电子能量损失谱的低能区和高能区。
d -e) 两相区原子探针层析，发现C相有30 at.%的氧元素富集。
图4：DFT计算结果
a -b) DFT结果证实O元素在FCC结构中处于低能级态。
c) DFT结果指出O原子之间第一近邻能级态最高，证明了O元素在C相中是固溶强化的作用，而不是TiO金属互化物。
图5：力学性能测试
a) 原位圆柱压缩实验真实应力应变曲线。
b) 双相圆柱变形后的TEM明场相，在C相中观测到大量变形孪晶和高密度位错。
c) 块体样品的工程应力应变曲线对比。
d) 块体样品的加工硬化率对比。
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