Nature Communications：低成本、高强度分层纳米结构β-钛合金

化石燃料的燃烧和二氧化碳的排放已经成为世界难题，而现在使用的汽车就是这个麻烦的制造者之一。如果利用新型廉价、高强度且质量轻的结构材料来制造汽车，就能够减少化石燃料的消费和减轻环境污染，这便促使材料科学家努力发明这样的材料来满足社会需求。

近日，美国西太平洋国家实验室Arun Devaraj及其合作者用廉价的TiH₂粉体为原料制备出了具有分层纳米结构β-钛合金Ti-1Al-8V-5Fe (Ti185)，分层纳米结构是由微纳尺度的α-相析出在β-相基质组成的。并对其进行了热处理显著提高它的强度。随后使用电子显微镜和原子探针断层扫描对其进行表征，结果表明是相变导致这种分层的纳米结构序列。值得一提的是，纳米级α-相析出β-相基质的数密度比商业上任何一种合金都大。

【拉伸性能测试】

图1 Ti185和其他钛合金拉伸强度比较 （a）极限拉伸强度和三STA条件的Ti185的屈服强度，（b）Ti185合金与其它可商购的钛合金拉伸强度和应变失效的比较。

由图1可得，Ti185展现出了优良的机械性能。

【STA（固溶处理和退火）条件下微观结构表征】

为了探究材料强度随固溶处理温度的增加而增加的原因，测试不同STA条件下的显微结构。增加固溶处理的温度可以β相的稳定性，这就解释了随着溶液温度的增加，晶界初始的α-相体积分数变小。这反过来表明，在三个STA条件下，大的晶界间的α-相在初始固溶处理阶段形成。

图2 不同STA条件下物质微观组织结构 （a）1300-900-2（在1300华氏度下进行固溶处理和退火1小时，然后在900摄氏度保温2小时）（b）1375-900-2（在1375华氏度下进行固溶处理和退火1小时，然后在900摄氏度保温2小时）和（c）1450-900-2 （在1450华氏度下进行固溶处理和退火1小时，然后在900摄氏度保温2小时 ）比例尺的长度是5毫米。

图3 STA的条件TEM分析 明场TEM图（a）颗粒边界上的α相和晶内α相（比例尺为200nm）（b）1300-900-2 标本初级和次级的晶内α相（比例尺为200nm）（c）晶界上的α相（比例尺为200nm）（d）1450-900-2样本高密度二次纳米晶内的α相（比例尺为100nm）

图4 STA的条件APT（原子探针断层扫描）分析（a）所有离子APT重构显视图，其中Fe：绿色，Ti：蓝色，V：红色，Al：紫色（b）只有铁和钒离子的APT重构显视图（c）STA：1300-900-2样本,α和β相之间可溶性分区出现了Fe和V离子向β相富集，Ti和Al离子向α相富集（d）所有离子的APT重构的图显示了短而粗α相沉淀（e）Al（紫色），V（红色）和Fe（绿色）的分区（f）STA：1450-900-2 样本在α-和β-相之间的组成分区 对这些合金的原子探针断层扫描是为了了解α-和β-相之间的溶质分区。

【ST（固溶处理）条件下微观结构表征】

为了探究该合金的分层纳米结构的成因，在ST条件下对合金进行微观表征。初级α-相在初始固溶处理阶段形成，这会阻止β-相稳定化元素到其余β-相，因此在剩余的β-相增加溶质浓度。由于1300ST下β-相稳定化元素在β-相内含量增加，1300ST条件初始α-相沉淀体积分数与1450ST条件下低。

图5 ST条件下微观组织结构（a）1300ST（1300华氏度固溶处理1小时）的SEM图像BSE显示晶界α相，并原生粒间α相（比例尺为5μm）（b）1300ST明场TEM图显示晶粒边界α相，二次α相之间的原生β相（比例尺为1μm）（c）1300ST暗场TEM显示小尺度ω相相分布在β相区域内（比例尺为100nm）（d）1450ST（1450华氏度固溶处理1小时）的SEM图像BSE显示晶粒边界α相，并原生粒间α相（比例尺为5μm）（e）1450ST明场TEM显示晶界α相，缺少二次α相的β基质（比例尺为1μm）（f）暗场TEM表明β相区域内的小尺度ω相分布（比例尺为100nm）

总结与展望

当增加固溶热处理温度时，材料的强度会提高，这是由于在升高热处理温度的时候会使得相均匀分布，精细尺度的α-相二次沉淀。其次，不管固溶热处理温度是多少，晶粒边界的均匀析出的合金的百分比保持在4-6％。Arun Devaraj及其合作者认为，这种优异性能的材料可以用于替换更昂贵的钛合金，以及其他更重要的工程合金，为低成本、轻量化的材料应用提供了理想选择。他们预计，利用这种方法也可制作其他具有层次纳米结构且性能优异的β-钛合金。

该研究成果于2016年4月1日发表在Nature communications上 。

本文由材料人科普团队学术组朱德杰供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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