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金屬所高性能超細晶含銅鈦合金研究取得突破

與常規晶粒尺度（5-10μm）的鈦合金相比，超細晶鈦合金不僅具有更高的強度與良好的塑性匹配，同時還具有更高的耐磨性和更佳的生物相容性，在航空航天、生物醫學等諸多重要應用領域中極具吸引力。然而，超細晶鈦合金不僅制備加工極為困難，且組織的熱穩定性較差，這兩大瓶頸問題制約了超細晶鈦合金的發展與應用。

中國科學院金屬研究所楊柯團隊長期從事新型醫用金屬材料的基礎與應用研究。近期，團隊成員任玲、王海等通過“雙相殼層包裹超細等軸晶”的顯微組織設計思想（圖1），同時從熱力學、動力學兩方面提高超細晶鈦合金組織熱穩定性，并利用常規熱處理與熱加工的工藝組合，實現了上述顯微組織的大尺寸制備，解決了超細晶鈦合金制備加工難、組織穩定性差的兩大瓶頸問題，獲得了性能優異和熱穩定性高的超細晶含銅鈦合金。近期，相關研究成果在《自然-通訊》（Nature Communications）在線發表。

研究團隊近年來一直致力于含銅鈦合金的結構與生物功能一體化研究與應用。在前期研究工作基礎上，團隊提出“共析元素合金化→淬火→熱變形”（EQD）的超細晶含銅鈦合金的制備策略（圖2），實現了雙相殼層包裹超細等軸晶的顯微組織的設計思想。該策略通過常規的熱加工設備實現了α-Ti晶粒尺寸在90-500 nm范圍內的超細晶Ti6Al4V5Cu合金的大尺寸制備（圖2）。與此同時，利用熱變形過程中形成的β/Ti2Cu雙相蜂窩殼結構包覆α晶粒，顯著提高了超細等軸晶組織的熱穩定性，使材料的失穩溫度提高至973 K（0.55Tm）（圖3）。超細晶Ti6Al4V5Cu合金的室溫拉伸強度最高達到1.5 GPa，延伸率超過10%。在650℃和應變速率為0.01 s-1條件下，其拉伸延伸率超過1000%（圖1），實現了超塑性變形。此外，超細晶Ti6Al4V-5Cu合金在高溫拉伸的熱力耦合條件下未發生晶粒的粗化長大（圖4）。該EQD策略不僅實現了TiCu、TiZrCu等其它鈦合金的高性能、高熱穩定性超細晶組織的制備，并已經拓展至包括鋼鐵材料在內的其它合金體系中，為超細晶金屬材料的制備提供了新途徑，對超細晶金屬材料的設計和研究具有重要意義。

以上工作由金屬所楊柯、任玲團隊，澳大利亞皇家墨爾本理工大學邱冬團隊，金屬所沈陽材料科學國家研究中心陳星秋團隊等合作完成。金屬所王海助理研究員為第一作者，金屬所任玲項目研究員、澳大利亞皇家墨爾本理工大學邱冬教授為通訊作者。

該研究得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金重點與面上項目、中國科學院國際合作重點項目、遼寧省“興遼英才計劃”等資助。

全文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29782-8

圖1 雙相蜂窩殼結構納米晶Ti6Al4V5Cu合金的組織設計與性能，（a）組織設計示意圖；（b）失穩溫度-晶粒尺寸圖，顯示材料具有良好的組織熱穩定性；（c）室溫強度-延伸率圖，相較于其它鈦合金，材料具有良好的強塑性匹配；（d）650℃/0.01s-1條件下的拉伸應力-應變曲線，材料的延伸率超過1000%。

圖2 雙相蜂窩殼結構納米晶Ti6Al4V5Cu合金的組織表征與形成機制分析，（a）HAADF成像模式觀察；（b）能譜面掃描觀察；（c）雙相蜂窩殼結構形成機制示意圖；（d）XRD衍射圖譜；（e）β·cos(θ)-sin(θ)圖，添加Cu使淬火后合金內的微觀應變增大；（f）添加Cu細化了馬氏體板條；（g）添加Cu有利于合金在熱變形過程中發生柱面滑移而形成等軸晶結構。

圖3 雙相蜂窩殼結構納米晶Ti6Al4V5Cu合金的組織熱穩定性分析，（a）在不同溫度保溫1 小時后的EBSD組織；（b）高分辨TEM觀察，表明α、β、Ti2Cu相之間具有特定的晶體學取向關系；（c）基于第一性原理計算材料相界能的模型；（d）EBSD極圖，表明α、β、Ti2Cu相在700℃保溫1小時后仍然可以保持初始的取向關系；（e）Ti6Al4V5Cu合金初始態組織的3DAP分析；（f）Ti6Al4V5Cu合金在650℃保溫1 小時后的3DAP分析。