Nat. Commun：鈦合金的巨大熱膨脹和α-析出路徑

【引言】

鈦合金是航空航天和金屬生物領域的主要結構材料。具有理想結構和功能特性的β-穩定鈦合金是生物醫學和工程應用領域多功能材料的代表。快速冷卻后楊氏模量低于80GPa的合金成分為開發承重植入物應用的新型低模量合金提供了合適的起點。β-穩定化鈦合金由于比強度高，已越來越多地用于各種航空航天領域，如機身和起落架。由于體心立方β相的熱彈性馬氏體相變為正交馬氏體α''，該合金族也展示了形狀記憶和超彈性行為。通過優化復雜的熱機械加工路徑可以控制顯微組織參數盡而來控制這些合金的機械和功能性能。

【成果簡介】

近日，德國萊布尼茲固態與材料研究所，德累斯頓工業大學和伊利諾伊大學香檳分校的Matthias B?nisch教授(通訊作者)在Nat. Commun上發表了一篇題為“Giant thermal expansion and α-precipitation pathways in Ti-alloys”的文章。報道了加熱過程中Ti-Nb合金在原位同步輻射衍射下的結構變化和相變。曾經報道過這些材料表現出各向異性熱膨脹屈服，最大的線性膨脹系數為+ 163.9×10^-6到-95.1×10^-6℃^-1。此外，研究人員描述了由擴散基正交結構介導的α相析出的兩種途徑，α″_lean和α″_iso。通過將晶格參數耦合到成分，兩相通過排出Nb而轉化成α。這些發現有可能促進Ti-Nb合金和β穩定化鈦合金的新型微結構設計方法。

【圖文導讀】

圖1 ：相變隨溫度變化的概述

a 、在10℃min^-1加熱馬氏體Ti-（16,21,28.5,36）Nb合金期間記錄的等時熱流曲線。

b、圖a中由虛線包圍區域的Ti-36Nb放大圖。差示掃描量熱曲線是從以前的研究改編的。

均勻淬火的c Ti-28.5Nb和d Ti-36Nb的光學顯微組織表明c = 16,21,28.5的完全α″- 馬氏體組織和c = 36的部分奧氏體組織。c和d的低倍圖像的比例尺是200μm，且c的放大部分的比例尺是50μm。

圖2 ：原位同步加速器X射線衍射圖譜的演變

a Ti-16Nb，b Ti-21Nb，c Ti-28.5Nb和d Ti-36Nb在10℃min^-1加熱過程中的結果。

在每幅圖的左側，識別了在室溫下初始狀態存在相的反射；圖的右側，確定了在加熱期間形成的相。對于每個相，標記了其第一次出現時的反射位置（即，對于最低溫度）

圖3 ：加熱引起晶格幾何形狀的變化

在10°C min^-1加熱過程中的晶格結構演化，a Ti-16Nb，b Ti-21Nb，c Ti-28.5Nb和d Ti-36Nb。

對于每種成分，上圖顯示了檢測到的所有相的精確晶格參數，下圖顯示了正交相的b和c相對于α的比率。

圖4 ：馬氏體分解

在等時加熱（10℃min^-1）期間的原位同步加速器X射線衍射圖顯示了α″馬氏體分解為α和β相，a Ti-16Nb和b Ti-21Nb。對于Ti-21Nb，α″_lean的反射被示例性地標注。

圖5 ：Ti-21Nb馬氏體分解溫度區間的放大

a在520°C時，Q≌ 2.52?^-1處，對應于第二個正交晶系分量（020）或{1010(-)}_α的衍射強度增加。

b α″_lean, _II和α的晶格參數由開放符號標注

圖6 ：α″_iso的形成

在10℃min^-1下加熱的Ti-28.5 Nb的原位同步加速器X射線衍射圖譜表明了在進一步加熱過程中，馬氏體轉變點以上α″_iso的形成以及逐漸演變為α。

表1：與文獻相比較，馬氏體Ti–Nb合金的熱膨脹率

Ti-(16-36)Nb的α″馬氏體的線性和體積熱膨脹系數與TiNi基合金中馬氏體B19和B19'的比較^{30, 32}。(Co,Mn)GaNi^30,31合金中的四方馬氏體展現了在已知結晶固體中最大各向同性（正的和負的）以及最強的熱膨脹各向異性^27-29。也報道了Ti-36Nb奧氏體β的膨脹系數。在第二列中指出了每種材料的晶系：O斜方晶系，M單斜晶系，R菱形晶系，C立方晶系，T四方晶系。所有數值都在第三欄所示的溫度范圍內，當前工作的相對不確定度<10％。在最后兩列給出了?b?_α″/a?_α″?和?c?_α″/a?_α″??隨溫度的相對變化。

表2：各個相的空間群和Wyckoff位置

【小結】

α″馬氏體是迄今為止報道的具有最大正熱膨脹系數和最大負熱膨脹系數的金屬材料之一。此外，在α相形成之前的高溫下，從母相中排出的Nb促進了基于擴散的中間相α″_lean 和 α″_iso的形成。隨著將Nb排出到周圍的溶質中，兩相逐步演變成α相。該發現將會擴大β-穩定化鈦合金的應用范圍，并為改善其機械和功能行為提供新的思路。

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

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