Nature Communications：低成本、高強度分層納米結構β-鈦合金

化石燃料的燃燒和二氧化碳的排放已經成為世界難題，而現在使用的汽車就是這個麻煩的制造者之一。如果利用新型廉價、高強度且質量輕的結構材料來制造汽車，就能夠減少化石燃料的消費和減輕環境污染，這便促使材料科學家努力發明這樣的材料來滿足社會需求。

近日，美國西太平洋國家實驗室Arun Devaraj及其合作者用廉價的TiH₂粉體為原料制備出了具有分層納米結構β-鈦合金Ti-1Al-8V-5Fe (Ti185)，分層納米結構是由微納尺度的α-相析出在β-相基質組成的。并對其進行了熱處理顯著提高它的強度。隨后使用電子顯微鏡和原子探針斷層掃描對其進行表征，結果表明是相變導致這種分層的納米結構序列。值得一提的是，納米級α-相析出β-相基質的數密度比商業上任何一種合金都大。

【拉伸性能測試】

圖1 Ti185和其他鈦合金拉伸強度比較 （a）極限拉伸強度和三STA條件的Ti185的屈服強度，（b）Ti185合金與其它可商購的鈦合金拉伸強度和應變失效的比較。

由圖1可得，Ti185展現出了優良的機械性能。

【STA（固溶處理和退火）條件下微觀結構表征】

為了探究材料強度隨固溶處理溫度的增加而增加的原因，測試不同STA條件下的顯微結構。增加固溶處理的溫度可以β相的穩定性，這就解釋了隨著溶液溫度的增加，晶界初始的α-相體積分數變小。這反過來表明，在三個STA條件下，大的晶界間的α-相在初始固溶處理階段形成。

圖2 ?不同STA條件下物質微觀組織結構?（a）1300-900-2（在1300華氏度下進行固溶處理和退火1小時，然后在900攝氏度保溫2小時）（b）1375-900-2（在1375華氏度下進行固溶處理和退火1小時，然后在900攝氏度保溫2小時）和（c）1450-900-2 （在1450華氏度下進行固溶處理和退火1小時，然后在900攝氏度保溫2小時 ）比例尺的長度是5毫米。

圖3 STA的條件TEM分析 明場TEM圖（a）顆粒邊界上的α相和晶內α相（比例尺為200nm）（b）1300-900-2 標本初級和次級的晶內α相（比例尺為200nm）（c）晶界上的α相（比例尺為200nm）（d）1450-900-2樣本高密度二次納米晶內的α相（比例尺為100nm）

圖4 ?STA的條件APT（原子探針斷層掃描）分析（a）所有離子APT重構顯視圖，其中Fe：綠色，Ti：藍色，V：紅色，Al：紫色（b）只有鐵和釩離子的APT重構顯視圖（c）STA：1300-900-2樣本,α和β相之間可溶性分區出現了Fe和V離子向β相富集，Ti和Al離子向α相富集（d）所有離子的APT重構的圖顯示了短而粗α相沉淀（e）Al（紫色），V（紅色）和Fe（綠色）的分區（f）STA：1450-900-2 樣本在α-和β-相之間的組成分區 ? 對這些合金的原子探針斷層掃描是為了了解α-和β-相之間的溶質分區。

【ST（固溶處理）條件下微觀結構表征】

為了探究該合金的分層納米結構的成因，在ST條件下對合金進行微觀表征。初級α-相在初始固溶處理階段形成，這會阻止β-相穩定化元素到其余β-相，因此在剩余的β-相增加溶質濃度。由于1300ST下β-相穩定化元素在β-相內含量增加，1300ST條件初始α-相沉淀體積分數與1450ST條件下低。

圖5 ST條件下微觀組織結構（a）1300ST（1300華氏度固溶處理1小時）的SEM圖像BSE顯示晶界α相，并原生粒間α相（比例尺為5μm）（b）1300ST明場TEM圖顯示晶粒邊界α相，二次α相之間的原生β相（比例尺為1μm）（c）1300ST暗場TEM顯示小尺度ω相相分布在β相區域內（比例尺為100nm）（d）1450ST（1450華氏度固溶處理1小時）的SEM圖像BSE顯示晶粒邊界α相，并原生粒間α相（比例尺為5μm）（e）1450ST明場TEM顯示晶界α相，缺少二次α相的β基質（比例尺為1μm）（f）暗場TEM表明β相區域內的小尺度ω相分布（比例尺為100nm）

總結與展望

當增加固溶熱處理溫度時，材料的強度會提高，這是由于在升高熱處理溫度的時候會使得相均勻分布，精細尺度的α-相二次沉淀。其次，不管固溶熱處理溫度是多少，晶粒邊界的均勻析出的合金的百分比保持在4-6％。Arun Devaraj及其合作者認為，這種優異性能的材料可以用于替換更昂貴的鈦合金，以及其他更重要的工程合金，為低成本、輕量化的材料應用提供了理想選擇。他們預計，利用這種方法也可制作其他具有層次納米結構且性能優異的β-鈦合金。

該研究成果于2016年4月1日發表在Nature communications上 。

本文由材料人科普團隊學術組朱德杰供稿，材料牛編輯整理。

歡迎加入材料人科普團隊，一起進行材料頂刊學術動態的跟蹤和報道以及SCI相關知識科普等。加入方式：（1）加入材料人文獻檢索群（410109144），私信管理員“成都-小小（QQ:763044722）”報名；（2）點此處報名。

歡迎各大課題組到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com.