钛合金又发Nature communications：晶粒细化防止低温氧脆

虚谷纳物 2年前 (2023-02-20) 2830浏览

一、导读

在钛合金中，O元素可谓是一把双刃剑，既可以起到强化作用，但同时极大地降低了合金的塑性。当合金中的O含量达到3%时，合金在77K表现出极差的塑性，阻碍了钛合金在液体火箭发动机以及液氮/氦容器中的应用。O元素的添加导致合金从穿晶断裂转变为晶内断裂。在实际生产中，应尽量控制O的含量，这无疑增加了其成本。这种不利于钛延展性的氧敏感性的机制很大程度上归因于局部塑性变形和脆弱的晶界。如何保持高O钛合金具有较高的延展性已经成为了国际性难题。

二、成果掠影

近日，来自美国加利福尼亚大学的Andrew M. Minor教授，日本京都大学的Nobuhiro Tsuji和Tomohito Tsuru教授提出了一种晶粒细化的结构策略，成功解决了上述问题。在Ti-0.3wt中，超细晶粒(UFG)微观结构(晶粒尺寸~ 2.0 μ m)的均匀伸长与77 K时极脆的粗晶粒相比，成功地提高了一个数量级，并保持了UFG微观结构固有的超高屈服强度。这种独特的强度-延展性协同是通过稀释的晶界偏析(有助于提高晶界结合能)和增强的<c + a>位错活性(有助于提高应变硬化能力)共同作用实现的。这种策略不仅促进高强度Ti-O合金在低温下的潜在应用，而且还可以应用于其他合金体系。相关成果以“Grain refinement in titanium prevents low temperature oxygen embrittlement”发表在国际著名期刊Nature Communications上。

三、核心创新点

(1) 创造性的提出晶粒细化策略用于解决高O钛合金的低温氧脆问题；

(2) 发现细化晶粒可以稀释晶界处O含量并提高<c + a>位错活性；

四、数据概览

图1 纯Ti和Ti-0.3O合金的初始组织；通过高压扭转(HPT)和退火得到的不同平均晶粒尺寸(D)纯Ti和Ti-0.3 O的晶界图(蓝线:大角度晶界，θ > 15°，红线:低角度晶界，θ≤15°)。© 2022 The authors

图2 不同晶粒尺寸纯Ti和Ti-0.3O合金的力学性能。a，纯Ti在室温(红色曲线)和液氮温度(蓝色曲线)下的工程应力-应变曲线; b Ti-0.3O在室温(红色曲线)和液氮温度(蓝色曲线)下的工程应力-应变曲线; c, d Ti和Ti-0.3O在液氮温度下均匀拉伸率随晶粒尺寸的变化规律; e不同晶粒度纯Ti和Ti-0.3O在液氮温度下的端口形貌。© 2022 The authors

图3 77 K下粗晶(CG)纯Ti和Ti-0.3 O的介观变形行为；a CG纯Ti和Ti-0.3 O在77 k时的工程应力-应变曲线；b断塑性应变为2.0%、14%和50%时CG纯Ti的EBSD反极图(IPF)图；c CG Ti-0.3O拉伸断裂(1.5%)后的背散射电子(BSE)图像，其中GB裂纹和滑移带分别用黄色箭头和白色箭头表示；d CG Ti-0.3O中TB/GB交点和平面滑移带两个代表区域的ebsd衍生交叉相关性残余应变场。e c的IPF图，其中突出显示了纳米孪晶在TB/GB相互作用下的活化。© 2022 The authors

图4 超细晶(UFG)纯Ti和Ti-0.3 O在77 K下的细观变形行为; a UFG纯Ti和Ti-0.3 O在77 K下的工程应力-应变曲线。插入两种合金的真应力-应变曲线和应变硬化速率曲线。b塑性应变为2.0%、14%和30%时UFG纯Ti的IPF图。c UFG纯Ti在应变为12%时的{112}和{102}孪晶的高分辨率TEM图像和快速傅里叶变换(FFT)模式。d塑性应变为2.0%和14%时UFG Ti-0.3O的IPF图，以及KAM图. © 2022 The authors

图5 CG和UFG Ti-0.3 O的GB化学分析；a Ti-0.3O CG (D = 68µm)BSE图像；b Ti-0.3O UFG (D = 2.0µm) BSE图像；c，d  Ti-0.3O CG和UFG样品的透射电镜(TEM)图像；e，f CG和UFG样品的氧原子图(绿色)，其中晶界位置由TEM图像上的箭头指示；g CG和UFG Ti-0.3O样品中间隙元素(O、C和N)跨晶界的成分分布；h氧与溶质相互作用的第一性原理计算结果；© 2022 The authors

图6 77 K Ti-0.3O变形CG和UFG中位错的透射电镜表征；a 77 K拉伸断裂(εf ~ 1.5%)后，CG Ti-0.3O合金中出现排列良好的(10-10)柱面位错滑移；b在77 K塑性应变为2.5%的UFG Ti-0.3O合金中，位错在晶粒内均匀分布；c UFG Ti-0.3O在77 K条件下，变形2.5%时的位错双束条件分析。可观察到大量<c + a >位错(c-i和c-iii)，并与< a >位错以波状构型(c-ii和c-iv)相互作用。© 2022 The authors

五、成果启示

当晶粒尺寸下降到超细晶时，将引发钛合金的一系列性能响应，如力学性能，晶界偏析，氧化性能，蠕变性能等。本文的发现是阻止钛合金氧化脆性的里程碑。

 

论文详情：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36030-0

本文由虚谷纳物供稿

 

 

 

 

 

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