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仪表网 研发快讯】双相钛合金(α+β)作为最重要的高比强度结构材料之一，可通过调控其主要组成相——HCP-α相来获得广泛的力学性能。然而，高强度双相钛合金常常面临加工硬化率低(WHR, Θ)的问题，从而导致有限的均匀延伸率(εu)。这主要源于以下两个方面：i)HCP-α相中的
针对上述问题，西安交大金属材料强度全国重点实验室孙军院士和张金钰教授团队证明了间隙N原子-位错交互的不利作用可以被逆转，从而协同提升双相钛合金的强度和塑性。该策略的原理在于：间隙原子-位错相互作用不仅促进形成溶质偏聚的亚结构(如低角度晶界，LAGBs)以实现强化，还能够在位错核心处偏聚以调控基体的相变行为。因此，团队通过简单的循环热轧与短时固溶工艺，在高温下控制N原子-位错交互作用，以调控Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al-0.4N(wt.%)双相合金的微观结构。具体而言：对于初生α(αp)相，N原子-位错相互作用不仅在热轧过程中促进波状滑移并产生足够的位错，而且在短时固溶过程中阻止位错湮灭，这有助于形成富集N原子的LAGBs。对于高温β相，这种相互作用将刃位错的平面应力场转变为非平面应力场，从而在淬火过程中形成间隙N强化的共格α纳米孪晶马氏体(α-NTNMs)。基于此，构筑了一种异质层状结构(图1a)，该结构包含：由富集N原子的LAGBs构成的层状αp晶粒，以及由间隙N原子强化的α-NTNMs组成的β转变结构。这种异质层状结构将合金的流变应力提升至足以激活。
图1. (a) Ti-Cr-Zr-Al-0.4N (wt.%) 合金的异质片层结构。(b) 不同组织结构的Ti-Cr-Zr-Al和氮掺杂Ti-Cr-Zr-Al合金室温拉伸应力-应变曲线。(c) 间隙氮强化的异质片层结构Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金的室温力学性能与目前报道的高性能钛合金(包括β-Ti、(α+β)-Ti、N/O强化的(α+β)-Ti、α-Ti和N强化的钛合金)的抗拉强度、均匀延伸率对比。
该研究成果以“Harnessing Bifunctional Nitrogen-Dislocation Interactions for A Record Ultra-strong-and-ductile Duplex Titanium Alloy” (《利用双功能氮-位错交互作用实现创纪录的超高强度延性双相钛合金》)为题在线发表于《Advanced Science》(《先进科学》)上。西安交通大学材料学院博士生张崇乐和李轩哲分别为论文的第一和第二作者，孙军院士和张金钰教授为论文共同通讯作者，参与该工作的还包括刘刚教授、李苏植教授。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室是该工作的唯一通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金、陕西省科技创新团队项目、中央高校基本科研业务费等项目资助。表征及测试工作得到西安交通大学分析测试共享中心和材料学院实验技术中心的大力支持。
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