?與常規晶粒尺度（5-10μm）的鈦合金相比，超細晶鈦合金具有更高的強度與良好的塑性匹配，以及更高的耐磨性和更佳的生物相容性，在航空航天、生物醫學(xué)等領(lǐng)域頗具應用價(jià)值。然而，超細晶鈦合金制備加工較為困難，且組織的熱穩定性較差，這制約了超細晶鈦合金的發(fā)展與應用。
中國科學(xué)院金屬研究所楊柯團隊致力于新型醫用金屬材料的基礎與應用研究。近日，該團隊成員任玲、王海等運用“雙相殼層包裹超細等軸晶”的顯微組織設計思想（圖1），從熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)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(shí)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、組織穩定性差的問(wèn)題，獲得了性能優(yōu)異和熱穩定性高的超細晶含銅鈦合金。4月19日，相關(guān)研究成果以Manufacture-friendly nanostructured metals stabilized by dual-phase honeycomb shell為題，在線(xiàn)發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。
近年來(lái)，該團隊主要從事含銅鈦合金的結構與生物功能一體化研究與應用。在前期研究的基礎上，科研人員提出“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(shí)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(guò)常規的熱加工設備實(shí)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）。同時(shí)，研究利用熱變形過(guò)程中形成的β/Ti2Cu雙相蜂窩殼結構包覆α晶粒，顯著(zhù)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(guò)10%。在650℃和應變速率為0.01 s-1條件下，其拉伸延伸率超過(guò)1000%（圖1），實(shí)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(fā)生晶粒的粗化長(cháng)大（圖4）。EQD策略實(shí)現了TiCu、TiZrCu等其他鈦合金的高性能、高熱穩定性超細晶組織的制備，并已拓展至包括鋼鐵材料在內的其他合金體系，為超細晶金屬材料的制備提供了新途徑，這對超細晶金屬材料的設計和研究具有重要意義。
研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目/面上項目、中科院、遼寧省“興遼英才計劃”等的支持。澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)、沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心等的科研人員參與研究。
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(xiàn)，材料的延伸率超過(guò)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(guān)察；b、能譜面掃描觀(guān)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(guān)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(guò)程中發(fā)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(shí)后的EBSD組織；b、高分辨TEM觀(guān)察，表明α、β、Ti2Cu相之間具有特定的晶體學(xué)取向關(guān)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(shí)后仍可以保持初始的取向關(guān)系；e、Ti6Al4V5Cu合金初始態(tài)組織的3DAP分析；f、Ti6Al4V5Cu合金在650℃保溫1小時(shí)后的3DAP分析
圖4.原位SEM觀(guān)察在650℃拉伸過(guò)程中的演變：a、初始態(tài)SEM組織；b、局部放大顯示材料具有蜂窩殼結構；c、ε=0.4時(shí)的SEM組織；d、局部放大顯示相界周?chē)腇IB刻痕發(fā)生了偏折；e、基于FIB刻痕節點(diǎn)位移計算材料內的微觀(guān)應變分布；f、相界面滑移對材料的超塑性變形發(fā)揮了重要的作用。
