Nature子刊：實現鈦金屬高強高延展性——Al和O的協同作用
2021-12-18 來源：GS-Metals
商業純α-Ti在溫度低至77 K下具有出色的延展性，但強度一般較低，因此通常被合金化以獲得所需的力學性能。眾所周知，固溶強化是調整結構材料力學性能的最有效方法之一，因為與間隙原子或置換原子形成合金會產生阻礙位錯運動的內應力場。但當溶質原子和基體原子之間存在強烈的化學相互作用時，會降低而合金的強度和延展性。而對于金屬Ti來說，間隙氧（O）和替代鋁（Al）是其兩種強效的硬化劑。間隙氧（O）具有兩個主要作用：抑制孿晶的形成，并通過直接溶質-位錯相互作用阻止位錯滑移。然而，它的缺點是會促進平面滑移模式，從而導致延展性的損失。替代鋁也會抑制孿晶的形成并為位錯滑移引入短程有序 (SRO) 域的障礙物。這些障礙物也會在環境溫度下引起平面滑移，并損失一些延展性。雖然在金屬Ti中大量添加Al確實在低溫下會產生良好延展性，但它賦予的強度無法與添加少量的氧所能達到的強度相比。這就提出了一個問題，是否可以將兩種合金添加劑（Al和O）的有益特性結合起來生產出具有 Ti-O 低溫強度和 Ti-Al 延展性的 Ti-Al-O 合金，并以此了解這些涉及間隙原子和置換原子的敏感相互作用如何協同影響材料的強度和延展性。
近日，加利福尼亞大學伯克利分校的研究人員通過在Ti金屬中添加6wt.% Al和0.3wt.% O，在低溫下實現了高強度 (~1.3 GPa) 和良好延展性 (~25%) 的完美結合。在此條件下，氧的亞穩態機械改組機制被鋁的SRO打斷，導致延展性的顯著增強，同時保持間隙元素有效強化的優點。Al和O溶質共同作用，通過改變平面滑移，使其成為變形離域的三維位錯模式，從而提高了應變硬化率。相關研究成果以 “Elimination of oxygen sensitivity in α-titanium by substitutional alloying with Al”為題發表在Nature子刊《Nature communications》上。全文鏈接為：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26374-w。
圖1給出了不同Ti-Al-O三元合金的力學性能。在 Ti-xAl-0.3O（x = 0、2、4 和 6）合金中，通過增加鋁含量，應變強化和拉伸延展性得到了顯著的改善。因此，Ti-0.3O合金在低溫下的脆性破壞可以通過添加鋁的合金化來消除，同時顯著提高強度。從氧含量的角度來看相同的數據，通過添加6.0 wt%的鋁，克服了氧對 Ti-O 合金拉伸延展性的不利影響，使得高氧合金Ti-6Al-0.3O (~25%)的總伸長率大于低氧合金Ti-6Al-0.1O (~22%)，并且這種延展性的提高也伴隨著抗拉強度的大幅提高，從1100MPa（Ti-6Al-0.1O）到1260 MPa（Ti-6Al-0.3O）。
圖1 液氮溫度下Ti-Al-O三元合金的力學性能
Ti金屬的變形一般通過位錯塑性和機械孿晶的結合發生。為了進一步闡述Ti-Al-O 合金中孿晶行為對力學性能的貢獻，研究人員使用電子背散射衍射（EBSD）來確定在液氮中斷裂的 Ti-O 和 Ti-Al-O 樣品中機械孿晶的程度。結果表明，隨著Al和O含量的增加，孿晶的活性都呈現一個降低的趨勢。因此可以說明在高O以及高Al合金中的力學性能不是由機械孿晶所影響，而是由位錯塑性造成的。此外，位錯塑性中應變硬化行為改善的最可能原因是在應變期間形成的位錯網絡模式的變化。為了研究這種可能性，通過TEM詳細分析的 Ti-2Al-0.3O、Ti-6Al-0.1O 和Ti-6Al-0.3O的微觀組織。雖然在這些合金中孿晶基本上被抑制，但仍然觀察到應變硬化速率和拉伸延展性的顯著差異。在變形的早期階段，在所有三種合金中都觀察到平面滑移帶，這可能歸因于氧溶質的機械改組或短程有序鋁的破壞，或者可能是兩者的組合。這些平面滑移帶構成了微觀局部變形，降低了應變硬化能力。
圖2 Ti-O和Ti-Al-O合金在液氮中拉伸斷裂后的EBSD反極圖和IQ圖
圖3 不同合金在低溫拉伸變形并最終斷裂后的典型位錯形貌
然而，Ti-6Al-0.1O合金中的位錯分布在中間應變下演變出性質不同的形態。除了預先存在的平面滑移帶之外，在帶之間的空隙中還觀察到了相當多的非平面位錯滑移。因此研究人員詳細研究了這種典型的位錯排列。從[2-1-10]的區域軸觀察到的兩個平面滑移帶之間具有非平面位錯。研究人員推測鋸齒狀位錯形態、密集的位錯纏結以及滑移帶外的大位錯循環表明平面滑移帶內發生了交叉滑移事件。此外，位錯纏結的節點與它們可以作為 Frank-Read 源將位錯環發射到這些滑移帶之間的間隙體積中的理論是一致的，并且這些發射的位錯中的許多具有明顯的交叉滑移。因此，最初位于平面滑移帶內的塑性變形逐漸轉移到變形相對較小的間隙體積中，導致“變形離域”現象。在宏觀層面上，變形離域以及增強的位錯交叉滑移延緩了應變硬化速率的衰減，極大地有助于保持應變硬化率并防止材料過早斷裂。
圖4 在低溫下拉伸變形至6.0%應變后Ti-6Al-0.1O中位錯形貌的詳細分析
總的來說，高氧含量的Ti-Al 合金在低溫下可以具有出色的拉伸性能。經試驗得到Ti-6Al-0.3O 的拉伸強度為1.26 GPa，在77 K下的總伸長率為25%。這些良好性能的主要來源于較高的且持續的應變硬化率，這是由于隨著塑性應變的增加，平面的變形離域滑入相對擴散的三維位錯模式而導致的。并且結合最近的理論和實驗研究成果，研究人員提出氧可以增強鋁的SRO這一機制，并通過實驗得到驗證。由于存在增強的 SRO，氧的亞穩態機械改組機制將導致不利的 Al-O 鍵。相關的能量消耗將阻止氧原子的改組并促進位錯交叉滑移，從而提供額外的應變硬化能力。這些發現揭示了一種降低間隙物質（如氧）的敏感性和脆化的新策略，這可能導致具有更高氧耐受性的Ti合金的新成分，拓寬了材料工程應用的范圍，從而促進了低成本鈦合金的開發。
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