Acta Mater.：半固態燒結法制備具有超細層片共晶組織的雙尺度結構鈦合金

【引言】

制備高強韌鈦合金一直都是研究者們的科研追求。通常來說，同成分的細晶材料具有比粗晶材料更高的強度。然而，由于細小晶粒內有限的加工硬化和位錯儲存能力，使具有納米和超細晶結構的金屬材料一般都呈現出較低的塑性。目前，最常用的解決辦法是引入多尺度組織，通過大幅提升引入區域的位錯運動來實現強韌化目的。現今，據文獻報道，已有多種制備方法可用來制備雙尺度或多尺度的微觀結構，比如伴隨有快速凝固的傳統半固態加工方法，塑性變形和熱處理誘發的再結晶化，不同晶粒尺寸粉末的混合燒結方法等。

本文通過基于共晶轉變的半固態燒結法制備出(Ti_100-x-yFe_xCo_y)₈₂Nb_12.2Al_5.8雙尺度結構鈦合金。該雙尺度結構鈦合金具有超高壓縮屈服強度和較大的塑性應變。綜合性能優于目前文獻報道的雙尺度結構鈦合金。

本研究提出的基于共晶轉變的半固態燒結技術及其組織性能的調控理念，為制備高強韌新型雙尺度結構鈦合金提供了一條新途徑。

【成果簡介】

近日，華南理工大學楊超教授、博士研究生康利梅、美國加利福尼亞大學E.J. Lavernia教授在Acta Materialia上在線發表一篇名為“Bimodal titanium alloys with ultrafine lamellar eutectic structure fabricated by semi-solid sintering”的文章。文中介紹了一種合成(Ti_100-x-yFe_xCo_y)₈₂Nb_12.2Al_5.8雙尺度鈦合金的新方法，且對其潛在微觀結構的演變和力學性能的調控提供了基本解釋。研究人員通過在基于共晶轉變的半固態燒結過程中，篩選特定尺度的相和組織，從而成功獲得新型雙尺度微觀結構。其中，制成的(Ti_63.5Fe_26.5Co₁₀)₈₂Nb_12.2Al_5.8雙尺度鈦合金具有2050MPa的超高壓縮屈服強度和19.7%壓縮塑性應變，超過了同等材料已報道過的相應數值。與前期研究結果（Scientific Reports 6 (2016) 23467 (1-7)）相比，該論文深入闡釋了組織性能調控關系與高強韌的晶體學機理。

【圖文導讀】

表1. 通過銅模吸鑄、粉末固態燒結和半固態燒結制備的相同成分的三種合金的壓縮試驗數據（σ_y屈服應力，ε_e彈性應變，σ_max極限應力，ε_p塑性應變）

表2. 對于半固態燒結法制備的超細層片共晶基體，經15%壓縮應變前后，其中層狀bcc Ti(Fe，Co)和 bcc β-Ti相界面間錯配度因子的計算參數

圖1. 三種球磨態非晶粉末的DSC曲線和原位XRD圖譜

（a）三種球磨態非晶粉末的DSC曲線。合金粉末A和B呈現出兩個吸熱峰值溫度，分別為1080℃，1200℃和1100℃，1215℃。而合金粉末C展現出一個吸熱峰值溫度，為1060℃。

（b）球磨態合金粉末A的原位XRD圖。可以看出球磨粉末從非晶態逐漸晶化為三相β-Ti，Ti（Fe，Co）和Ti2（Co，Fe）。1080℃保溫5分鐘后，β-Ti衍射峰逐漸減小，而Ti（Fe，Co）相的衍射峰逐漸平滑并減小，說明兩者發生共晶轉變轉變成液相，且殘余有部分β-Ti。

（c）球磨態合金粉末B的原位XRD圖。可以看出球磨粉末從非晶態也逐漸晶化為三相β-Ti，Ti（Fe，Co）和Ti2（Co，Fe）。經1100℃保溫5分鐘后，β-Ti和Ti（Fe，Co）相的衍射峰逐漸寬泛化，并減小直至消失，說明這兩相發生了完整的共晶反應，并轉變成液相。

（d）球磨態合金粉末C的原位XRD圖。可以看出球磨粉末從非晶態逐漸晶化為兩相Ti2（Co，Fe）和β-Ti。經1060℃保溫后，只有Ti2（Co，Fe）衍射峰逐漸寬泛平滑并消失。說明其發生了單相熔化現象。

圖2. （a）三種半固態燒結合金的XRD圖譜，（b-d）用銅模吸鑄、粉末固態燒結、半固態燒結制成合金的SEM微觀結構

（a）三種成分粉末經半固態燒結制備合金的XRD圖。其中，單獨對比了A成分經900℃固態燒結、1080℃半固態燒結、銅模吸鑄法制備的合金組成相。表明，固態燒結和半固態燒結由相同的三個相組成，而鑄造樣品有兩個組成相。

（b）銅模吸鑄法制備合金A的掃描電鏡下微觀組織。微觀組織由超細層狀共晶(β-Ti + Ti(Fe, Co))和粗晶（β-Ti）組成。

（c）粉末固態燒結制備合金A的掃描電鏡下微觀組織。其在900℃固態燒結形成的典型超細晶組織。

（d）半固態燒結法制備合金A的掃描電鏡下微觀組織。其為雙尺度微觀結構。微觀組織有 (β-Ti + Ti(Fe, Co))微米級層狀共晶基體和殘余的bcc β-Ti粗晶相，及周圍的fcc Ti2(Co, Fe)粗晶。

（e）半固態燒結法制備合金B的掃描電鏡下微觀組織。微觀結構為β-Ti和Ti（Fe，Co）交替分布的超細層狀共晶基體包圍微米級的Ti2(Co, Fe)。

（f）半固態燒結法制備合金C的掃描電鏡下微觀組織。微觀組織為連續的網格狀結構。

圖3.? TEM顯微照片

（a）半固態燒結法制備合金A的透射電鏡顯微圖片。表明，共晶轉變優先發生于晶界處。

（b）半固態燒結法制備合金B微觀結構中層片基體的透射電鏡顯微圖片。

（c）半固態燒結法制備合金B微觀結構中超細晶β-Ti 和B2超結構Ti(Fe, Co)層片相界面的傅里葉變換圖形。

（d）半固態燒結法制備合金B微觀結構中層片狀共晶基體的相應SAED（選區電子衍射）圖案。表明，β-Ti 和Ti(Fe, Co)層片間為完全共格關系。

（e）半固態燒結法制備合金C的TEM顯微照片。Ti2(Co, Fe)析出于β-Ti相界。

（f）半固態燒結合金C的相應SAED（選區電子衍射）圖案。

圖4. 三種半固態燒結制備合金的壓縮和拉伸應力-應變曲線

（a）三種半固態燒結制備合金的壓縮工程應力-應變曲線。插圖為A成分合金經900℃固態燒結、1080℃半固態燒結、銅模吸鑄法制備塊體合金的壓縮工程應力-應變曲線。

（b）迄今報道的有代表性的雙尺度結構鈦合金的壓縮屈服應力和塑性形變與本研究成果的比較。

（c）三種半固態燒結制備合金的拉伸應力-應變曲線，插圖為拉伸試樣尺寸圖。

圖5. 經15%壓縮應變后的半固態燒結合金B試樣的TEM和SEM分析

（a）透射電鏡圖片。與傳統的延性相β-Ti相比，Ti(Fe, Co)相中存在更高密度的位錯堆積。

（b）超細晶β-Ti和Ti(Fe, Co)薄片的相應傅里葉轉換圖案。表明，B2超結構的Ti(Fe, Co)相形變后出現大量位錯。

（c）B2 Ti(Fe, Co), bcc β-Ti和fcc Ti2(Co, Fe)的SAED圖案。

（d）和（e）為經15%壓縮應變后樣品在掃描電鏡下的表面形態。表明，經15%的壓縮應變后，大部分應力被逐漸破碎的Ti2(Co, Fe)相吸收，而共晶基體只發生了拉長，扭曲，移位等現象。

（f）斷口形貌。發現層片界面存在大量的塑形撕裂棱，這再次驗證了共晶基體層片間共格界面的穩定強化作用。

圖6. 在半固態燒結過程中球磨態非晶粉末致密化過程及所得雙尺度微觀組織演化的示意圖

在半固態燒結過程中，非晶態合金粉末B的微觀組織演變。

1階段，溫度低于380℃，粉末顆粒重排；

2階段，溫度介于380℃和760℃間，非晶態粉末的致密化和晶化；

3階段，溫度介于760℃和1050℃間，晶化后晶相晶粒的長大，1045℃，形成超細等軸晶；

4階段，溫度介于1050℃和1100℃間，液相形成，此時燒結體為半固態；

5階段，溫度低于1100℃，半固態燒結體冷卻，雙尺度微觀結構形成。

圖7. 經15%壓縮應變前后的半固態燒結合金B試樣的超細晶Ti(Fe, Co)和β-Ti層片相界間的SAED圖譜
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（a）在施加15%壓縮應變之前

（b）在施加15%壓縮應變之后

（c）在施加15％壓縮應變前，（110）β-Ti //（110）Ti（Fe，Co）之間的取向關系表示Ti（Fe，Co）和β-Ti相界面位向關系的示意圖 。

（d）在施加15％壓縮應變前后，（110）β-Ti //（110）Ti（Fe，Co）的取向關系近似趨于穩態示意圖。

圖8. 經半固態燒結法制備的合金B，其層片共晶基體中B2 超結構的 Ti(Fe, Co) 15%壓縮應變前后的HRTEM（高分辨率透射電鏡）圖片的傅里葉轉換圖及其超位錯的萌生及分解原理圖
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（a）在施加15%壓縮應變之前，半固態燒結制備的雙尺度合金B的HRTEM圖片的傅里葉轉換圖案。

（b）B2超結構中守恒APB之一（反相疇界）示意圖。

（c）B2超結構非非守恒APB示意圖。

（d）在施加15%壓縮應變之后，半固態燒結制備的雙尺度合金B的HRTEM圖片的傅里葉轉換圖案。表明在B2超結構Ti(Fe, Co)中形成了超晶格位錯。

（e）B2超結構Ti(Fe, Co)中，超晶格位錯<111>的分解示意圖。

（f）B2超結構的Ti（Fe，Co）晶格密排面（110）的原子排列示意圖。

【小結】

文章中提出了一種新的材料制備方法，主要基于β-Ti 和Ti（Fe，Co）的共晶反應，通過調節Fe和Co含量控制晶相種類及其含量比例，制備出具有新型微觀組織的(Ti_100-x-yFe_xCo_y)₈₂Nb_12.2Al_5.8結構鈦合金。其中，優化后的(Ti_63.5Fe_26.5Co₁₀)₈₂Nb_12.2Al_5.8合金具有雙尺度微觀結構，超細晶bcc β-Ti和bcc B2 Ti(Fe, Co)構成的層片共晶基體包圍微米等軸晶Ti2(Co, Fe)第二相。通過微觀結構觀察和分析表明(Ti_63.5Fe_26.5Co₁₀)₈₂Nb_12.2Al_5.8合金中超細β-Ti和Ti(Fe, Co)層片相界為完全共格關系，取向關系為（110）β-Ti //（110）Ti（Fe，Co）, （200）β-Ti //（100）Ti（Fe，Co），（1ī0）β-Ti //（1ī0）Ti（Fe，Co）。該雙尺度結構鈦合金擁有如此突出的屈服強度和塑性主要是因為Ti(Fe, Co)層片中萌生的高密度位錯被層片相界分支，阻礙及層片間極具穩定作用的共格界面強化所致。同時，研究人員還發現，除了傳統概念里單一延性相β-Ti ，本研究中B2有序超結構Ti（Fe，Co）層片因其特殊的位錯萌生及分解原理，對合金的強韌化起著良好的輔助作用。

文獻鏈接：Bimodal titanium alloys with ultrafine lamellar eutectic structure fabricated by semi-solid sintering （Acta Materialia, 132 (2017) 491–502）

本文由材料人編輯部金屬材料學術組侯嘉穎整理編輯，材料牛審核。

在此特別感謝楊超教授對材料人編輯部的指導和幫助！

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