Nature子刊：实现钛金属高强高延展性——Al和O的协同作用
2021-12-18 来源：GS-Metals
商业纯α-Ti在温度低至77 K下具有出色的延展性，但强度一般较低，因此通常被合金化以获得所需的力学性能。众所周知，固溶强化是调整结构材料力学性能的最有效方法之一，因为与间隙原子或置换原子形成合金会产生阻碍位错运动的内应力场。但当溶质原子和基体原子之间存在强烈的化学相互作用时，会降低而合金的强度和延展性。而对于金属Ti来说，间隙氧（O）和替代铝（Al）是其两种强效的硬化剂。间隙氧（O）具有两个主要作用：抑制孪晶的形成，并通过直接溶质-位错相互作用阻止位错滑移。然而，它的缺点是会促进平面滑移模式，从而导致延展性的损失。替代铝也会抑制孪晶的形成并为位错滑移引入短程有序 (SRO) 域的障碍物。这些障碍物也会在环境温度下引起平面滑移，并损失一些延展性。虽然在金属Ti中大量添加Al确实在低温下会产生良好延展性，但它赋予的强度无法与添加少量的氧所能达到的强度相比。这就提出了一个问题，是否可以将两种合金添加剂（Al和O）的有益特性结合起来生产出具有 Ti-O 低温强度和 Ti-Al 延展性的 Ti-Al-O 合金，并以此了解这些涉及间隙原子和置换原子的敏感相互作用如何协同影响材料的强度和延展性。
近日，加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员通过在Ti金属中添加6wt.% Al和0.3wt.% O，在低温下实现了高强度 (~1.3 GPa) 和良好延展性 (~25%) 的完美结合。在此条件下，氧的亚稳态机械改组机制被铝的SRO打断，导致延展性的显著增强，同时保持间隙元素有效强化的优点。Al和O溶质共同作用，通过改变平面滑移，使其成为变形离域的三维位错模式，从而提高了应变硬化率。相关研究成果以 “Elimination of oxygen sensitivity in α-titanium by substitutional alloying with Al”为题发表在Nature子刊《Nature communications》上。全文链接为：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26374-w。
图1给出了不同Ti-Al-O三元合金的力学性能。在 Ti-xAl-0.3O（x = 0、2、4 和 6）合金中，通过增加铝含量，应变强化和拉伸延展性得到了显著的改善。因此，Ti-0.3O合金在低温下的脆性破坏可以通过添加铝的合金化来消除，同时显著提高强度。从氧含量的角度来看相同的数据，通过添加6.0 wt%的铝，克服了氧对 Ti-O 合金拉伸延展性的不利影响，使得高氧合金Ti-6Al-0.3O (~25%)的总伸长率大于低氧合金Ti-6Al-0.1O (~22%)，并且这种延展性的提高也伴随着抗拉强度的大幅提高，从1100MPa（Ti-6Al-0.1O）到1260 MPa（Ti-6Al-0.3O）。
图1 液氮温度下Ti-Al-O三元合金的力学性能
Ti金属的变形一般通过位错塑性和机械孪晶的结合发生。为了进一步阐述Ti-Al-O 合金中孪晶行为对力学性能的贡献，研究人员使用电子背散射衍射（EBSD）来确定在液氮中断裂的 Ti-O 和 Ti-Al-O 样品中机械孪晶的程度。结果表明，随着Al和O含量的增加，孪晶的活性都呈现一个降低的趋势。因此可以说明在高O以及高Al合金中的力学性能不是由机械孪晶所影响，而是由位错塑性造成的。此外，位错塑性中应变硬化行为改善的最可能原因是在应变期间形成的位错网络模式的变化。为了研究这种可能性，通过TEM详细分析的 Ti-2Al-0.3O、Ti-6Al-0.1O 和Ti-6Al-0.3O的微观组织。虽然在这些合金中孪晶基本上被抑制，但仍然观察到应变硬化速率和拉伸延展性的显着差异。在变形的早期阶段，在所有三种合金中都观察到平面滑移带，这可能归因于氧溶质的机械改组或短程有序铝的破坏，或者可能是两者的组合。这些平面滑移带构成了微观局部变形，降低了应变硬化能力。
图2 Ti-O和Ti-Al-O合金在液氮中拉伸断裂后的EBSD反极图和IQ图
图3 不同合金在低温拉伸变形并最终断裂后的典型位错形貌
然而，Ti-6Al-0.1O合金中的位错分布在中间应变下演变出性质不同的形态。除了预先存在的平面滑移带之外，在带之间的空隙中还观察到了相当多的非平面位错滑移。因此研究人员详细研究了这种典型的位错排列。从[2-1-10]的区域轴观察到的两个平面滑移带之间具有非平面位错。研究人员推测锯齿状位错形态、密集的位错缠结以及滑移带外的大位错循环表明平面滑移带内发生了交叉滑移事件。此外，位错缠结的节点与它们可以作为 Frank-Read 源将位错环发射到这些滑移带之间的间隙体积中的理论是一致的，并且这些发射的位错中的许多具有明显的交叉滑移。因此，最初位于平面滑移带内的塑性变形逐渐转移到变形相对较小的间隙体积中，导致“变形离域”现象。在宏观层面上，变形离域以及增强的位错交叉滑移延缓了应变硬化速率的衰减，极大地有助于保持应变硬化率并防止材料过早断裂。
图4 在低温下拉伸变形至6.0%应变后Ti-6Al-0.1O中位错形貌的详细分析
总的来说，高氧含量的Ti-Al 合金在低温下可以具有出色的拉伸性能。经试验得到Ti-6Al-0.3O 的拉伸强度为1.26 GPa，在77 K下的总伸长率为25%。这些良好性能的主要来源于较高的且持续的应变硬化率，这是由于随着塑性应变的增加，平面的变形离域滑入相对扩散的三维位错模式而导致的。并且结合最近的理论和实验研究成果，研究人员提出氧可以增强铝的SRO这一机制，并通过实验得到验证。由于存在增强的 SRO，氧的亚稳态机械改组机制将导致不利的 Al-O 键。相关的能量消耗将阻止氧原子的改组并促进位错交叉滑移，从而提供额外的应变硬化能力。这些发现揭示了一种降低间隙物质（如氧）的敏感性和脆化的新策略，这可能导致具有更高氧耐受性的Ti合金的新成分，拓宽了材料工程应用的范围，从而促进了低成本钛合金的开发。
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