Materials Today：增材制造合金引入全新面心立方相，全面提升材料的力學(xué)性能

來源：材料學(xué)網(wǎng)

鈦及其合金——特別是Ti-6Al-4V——有著高強(qiáng)度和優(yōu)異的耐腐蝕性，因此它們廣泛應(yīng)用于從航空航天到生物醫(yī)學(xué)植入等關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域。其塑性變形能力是有限的，在很大程度上由低溫α相的密排六方(HCP)結(jié)構(gòu)所決定。關(guān)于Ti的面心立方 (FCC) 相是否可以在室溫下穩(wěn)定存在的爭議可以追溯到幾十年前。此前研究者們普遍認(rèn)為，Ti的FCC形式要么是金屬間化合物，如氫化物，要么是當(dāng)鈦合金受到電子束或電離輻射時(shí)，所出現(xiàn)的高度局域化和缺陷穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài)相。

現(xiàn)有爭論主要集中在以間隙原子形式存在于鈦合金中的輕元素如H、C、N和O與基體Ti作用的不確定性上。眾所周知，在鈦合金中，O在低濃度時(shí)具有顯著的強(qiáng)化效應(yīng)，而在較高濃度時(shí)，這可能很快變成脆化效應(yīng)。因此，在鈦合金的常規(guī)冶金加工中，精確控制間隙元素含量是一個(gè)重要的考慮因素。金屬增材制造(AM)過程中的快速凝固、交替熱循環(huán)和熱應(yīng)力造就了高度非平衡態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)，這與傳統(tǒng)冶金加工所遇到的情況有很大差異。AM過程中較高的熱梯度，快速的溫度變化和熱累積，再加上原材料（金屬粉末）和打印環(huán)境大大增加了引入間隙元素的可能性，并最終影響材料的強(qiáng)度、延展性、疲勞壽命及其他關(guān)鍵性能。最近有研究表明，此類動(dòng)力學(xué)過程能夠引入間隙位置強(qiáng)化，有助于同時(shí)增強(qiáng)某些材料的強(qiáng)度和延展性。在這里，我們在激光粉末床打印Ti-6Al-4V的過程中，通過引入間隙態(tài)氧元素，從而導(dǎo)致了FCC Ti相的形成，顯著地提升了材料的力學(xué)性能。

成果簡介

近日，悉尼大學(xué)廖曉舟教授（共同通訊作者），Simon Ringer教授（共同通訊作者），共同第一作者王昊，崔相遠(yuǎn)博士，迪肯大學(xué)徐嵬教授（共同通訊作者），晁琦博士（共同第一作者），香港理工大學(xué)陳子斌博士 （共同通訊作者）與團(tuán)隊(duì)成員利用透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡和三維原子探針技術(shù)在激光粉末床打印的Ti-6Al-4V 中發(fā)現(xiàn)了固溶態(tài)氧穩(wěn)定的面心立方FCC相。該FCC相被命名為C相，有著0.406 nm的晶格常數(shù)，同時(shí)與母相α' （馬氏體相）具有如下特定的取向關(guān)系：(0001)a'//{111}C, 且 //。作者發(fā)現(xiàn)該C 相的形成是由熱梯度、馬氏體相變引起的變形和局部O元素富集共同作用的結(jié)果，使得在高溫下可以實(shí)現(xiàn)從密排六方α′相到C相的原位相變。密度泛函理論計(jì)算(DFT)表明，FCC結(jié)構(gòu)的八面體間隙中的氧占用在能量上優(yōu)于α′相的相應(yīng)位置。原位力學(xué)測試結(jié)果表明，F(xiàn)CC相的存在顯著提高了樣品的局部屈服強(qiáng)度，從只含α′相時(shí)的1.2 GPa提高到α′相和FCC相體積分?jǐn)?shù)基本相等時(shí)的1.9 GPa。與此同時(shí)，塊體材料的塑性與加工硬化率都有提升。該工作為增材制造高性能鈦合金設(shè)計(jì)提供了新的途徑。

該研究成果以“Introducing C Phase in additively manufactured Ti-6Al-4V: a new oxygen-stabilized face-centred cubic solid solution with improved mechanical properties” 為題刊登在2022年11月18日出版的Materials today上。

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.10.026

圖文導(dǎo)讀

圖1：掃描電鏡數(shù)據(jù)展示增材制造鈦鋁釩合金樣品中C相體積分?jǐn)?shù)隨樣品高度的變化

a) 示意圖指出了掃描電鏡樣品和透射電鏡樣品的取樣位置。

b) 頂層樣品的掃描電鏡電子背散射衍射相圖，主要結(jié)構(gòu)為α' 馬氏體（紅色區(qū)域）。

c) 中層樣品的掃描電鏡電子背散射衍射相圖，主要結(jié)構(gòu)為α' 馬氏體與C相（即FCC相，綠色區(qū)域）。

d) 雙相區(qū)域的投射菊池衍射相圖，主要結(jié)構(gòu)為α' 馬氏體與C相。

e) 對應(yīng)的透射電鏡(TEM)明場相，插圖為對應(yīng)的衍射花樣。

圖2：對C相的透射電鏡(TEM)表征

a -b) 在[001]和[011]軸態(tài)下C相的掃描透射高角環(huán)形暗場像。

c -d) 對應(yīng)的快速傅里葉轉(zhuǎn)換倒空間點(diǎn)陣。

e -f) C相與α'相的TEM明場相與對應(yīng)的衍射花樣。

g) 雙相區(qū)域的原子分辨像，表明了兩相取向關(guān)系為(0001)a'//{111}C, and //。

圖3：對C相的元素分析

a) TEM暗場相，亮襯度區(qū)域?yàn)镃相。

b -c) 該區(qū)域?qū)?yīng)的電子能量損失譜的低能區(qū)和高能區(qū)。

d -e) 兩相區(qū)原子探針層析，發(fā)現(xiàn)C相有30 at.%的氧元素富集。

圖4：DFT計(jì)算結(jié)果

a -b) DFT結(jié)果證實(shí)O元素在FCC結(jié)構(gòu)中處于低能級態(tài)。

c) DFT結(jié)果指出O原子之間第一近鄰能級態(tài)最高，證明了O元素在C相中是固溶強(qiáng)化的作用，而不是TiO金屬互化物。

圖5：力學(xué)性能測試

a) 原位圓柱壓縮實(shí)驗(yàn)真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。

b) 雙相圓柱變形后的TEM明場相，在C相中觀測到大量變形孿晶和高密度位錯(cuò)。

c) 塊體樣品的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線對比。

d) 塊體樣品的加工硬化率對比。