與(yu)(yu)常規晶(jing)(jing)粒尺(chi)度(du)(du)（5-10μm）的(de)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)相比，超(chao)細晶(jing)(jing)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)不僅具(ju)(ju)有更高的(de)強(qiang)度(du)(du)與(yu)(yu)良(liang)好的(de)塑性(xing)匹配，同時還具(ju)(ju)有更高的(de)耐磨性(xing)和(he)更佳的(de)生物(wu)相容性(xing)，在航(hang)空航(hang)天、生物(wu)醫學等諸多(duo)重要應用領域中極具(ju)(ju)吸引力(li)。然而，超(chao)細晶(jing)(jing)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)不僅制(zhi)備加工極為困(kun)難(nan)，且組(zu)織的(de)熱穩定性(xing)較(jiao)差，這兩大瓶頸問題制(zhi)約了超(chao)細晶(jing)(jing)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)的(de)發(fa)展與(yu)(yu)應用。

中國(guo)科學院(yuan)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)研究(jiu)所楊柯團隊長(chang)期從(cong)事新(xin)型醫用(yong)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)材料(liao)的基礎與(yu)應用(yong)研究(jiu)。近(jin)期，團隊成員(yuan)任玲、王海等通過“雙相殼層包裹(guo)超(chao)細等軸(zhou)晶(jing)”的顯(xian)微(wei)組(zu)(zu)織(zhi)設計(ji)思想（圖1），同時(shi)從(cong)熱(re)(re)(re)力學、動力學兩(liang)(liang)方面提高超(chao)細晶(jing)鈦(tai)合金(jin)(jin)組(zu)(zu)織(zhi)熱(re)(re)(re)穩(wen)定性(xing)，并利用(yong)常規熱(re)(re)(re)處理(li)與(yu)熱(re)(re)(re)加(jia)工的工藝(yi)組(zu)(zu)合，實現了(le)上述(shu)顯(xian)微(wei)組(zu)(zu)織(zhi)的大(da)尺寸制備，解(jie)決了(le)超(chao)細晶(jing)鈦(tai)合金(jin)(jin)制備加(jia)工難、組(zu)(zu)織(zhi)穩(wen)定性(xing)差的兩(liang)(liang)大(da)瓶頸問(wen)題(ti)，獲(huo)得了(le)性(xing)能(neng)優異和熱(re)(re)(re)穩(wen)定性(xing)高的超(chao)細晶(jing)含銅鈦(tai)合金(jin)(jin)。近(jin)期，相關研究(jiu)成果在《自然-通訊(xun)》（Nature Communications）在線發表。

研究(jiu)團(tuan)隊近年來(lai)一(yi)直致(zhi)力(li)于含銅鈦合金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)結構(gou)與(yu)(yu)生物(wu)功能一(yi)體化(hua)研究(jiu)與(yu)(yu)應(ying)用(yong)。在前期研究(jiu)工作基礎上，團(tuan)隊提出“共(gong)析元素合金(jin)(jin)化(hua)→淬火(huo)→熱變(bian)形(xing)”（EQD）的(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)(chao)細(xi)晶(jing)(jing)含銅鈦合金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)制備策(ce)略（圖2），實(shi)(shi)現(xian)了(le)雙相(xiang)殼(ke)層包裹超(chao)(chao)(chao)細(xi)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)顯微組(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)計思想(xiang)。該策(ce)略通過(guo)常(chang)規的(de)(de)(de)(de)(de)熱加工設(she)備實(shi)(shi)現(xian)了(le)α-Ti晶(jing)(jing)粒尺寸在90-500 nm范(fan)圍內的(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)(chao)細(xi)晶(jing)(jing)Ti6Al4V5Cu合金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)大(da)尺寸制備（圖2）。與(yu)(yu)此同時，利用(yong)熱變(bian)形(xing)過(guo)程中形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)β/Ti2Cu雙相(xiang)蜂(feng)窩殼(ke)結構(gou)包覆α晶(jing)(jing)粒，顯著(zhu)提高(gao)(gao)了(le)超(chao)(chao)(chao)細(xi)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)組(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)熱穩(wen)定(ding)性(xing)，使材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)失(shi)穩(wen)溫(wen)度提高(gao)(gao)至973 K（0.55Tm）（圖3）。超(chao)(chao)(chao)細(xi)晶(jing)(jing)Ti6Al4V5Cu合金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)室溫(wen)拉伸強(qiang)度最高(gao)(gao)達到1.5 GPa，延(yan)伸率超(chao)(chao)(chao)過(guo)10%。在650℃和應(ying)變(bian)速(su)率為(wei)0.01 s-1條件下(xia)，其(qi)拉伸延(yan)伸率超(chao)(chao)(chao)過(guo)1000%（圖1），實(shi)(shi)現(xian)了(le)超(chao)(chao)(chao)塑性(xing)變(bian)形(xing)。此外，超(chao)(chao)(chao)細(xi)晶(jing)(jing)Ti6Al4V-5Cu合金(jin)(jin)在高(gao)(gao)溫(wen)拉伸的(de)(de)(de)(de)(de)熱力(li)耦合條件下(xia)未發生晶(jing)(jing)粒的(de)(de)(de)(de)(de)粗化(hua)長大(da)（圖4）。該EQD策(ce)略不僅實(shi)(shi)現(xian)了(le)TiCu、TiZrCu等(deng)其(qi)它(ta)(ta)鈦合金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)性(xing)能、高(gao)(gao)熱穩(wen)定(ding)性(xing)超(chao)(chao)(chao)細(xi)晶(jing)(jing)組(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)制備，并已(yi)經拓展至包括鋼(gang)鐵材(cai)料(liao)在內的(de)(de)(de)(de)(de)其(qi)它(ta)(ta)合金(jin)(jin)體系中，為(wei)超(chao)(chao)(chao)細(xi)晶(jing)(jing)金(jin)(jin)屬材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)制備提供了(le)新途(tu)徑(jing)，對超(chao)(chao)(chao)細(xi)晶(jing)(jing)金(jin)(jin)屬材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)計和研究(jiu)具有重(zhong)要意義(yi)。

以上工(gong)作(zuo)由金屬(shu)所楊(yang)柯、任(ren)玲團隊，澳(ao)大(da)利亞(ya)皇家墨爾(er)本理工(gong)大(da)學(xue)邱(qiu)冬團隊，金屬(shu)所沈(shen)陽(yang)材料科學(xue)國家研(yan)(yan)究中(zhong)心陳星秋團隊等合作(zuo)完成(cheng)。金屬(shu)所王(wang)海助理研(yan)(yan)究員為(wei)第一作(zuo)者(zhe)，金屬(shu)所任(ren)玲項目(mu)研(yan)(yan)究員、澳(ao)大(da)利亞(ya)皇家墨爾(er)本理工(gong)大(da)學(xue)邱(qiu)冬教(jiao)授為(wei)通訊作(zuo)者(zhe)。

該研究得(de)到了(le)國(guo)(guo)家重點研發計(ji)(ji)劃(hua)項(xiang)目(mu)、國(guo)(guo)家自然科學基金重點與面上項(xiang)目(mu)、中國(guo)(guo)科學院國(guo)(guo)際合作重點項(xiang)目(mu)、遼寧省“興遼英才計(ji)(ji)劃(hua)”等資助(zhu)。

全(quan)文鏈接：

//www.nature.com/articles/s41467-022-29782-8

圖(tu)(tu)1 雙相(xiang)蜂(feng)窩殼結構納(na)米晶(jing)Ti6Al4V5Cu合金的(de)組織(zhi)設計與性能，（a）組織(zhi)設計示意(yi)圖(tu)(tu)；（b）失穩溫度(du)-晶(jing)粒(li)尺寸(cun)圖(tu)(tu)，顯(xian)示材(cai)(cai)料(liao)(liao)具有良好的(de)組織(zhi)熱(re)穩定(ding)性；（c）室溫強度(du)-延伸率(lv)圖(tu)(tu)，相(xiang)較于其它鈦(tai)合金，材(cai)(cai)料(liao)(liao)具有良好的(de)強塑性匹配(pei)；（d）650℃/0.01s-1條件下的(de)拉(la)伸應力(li)-應變曲線，材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)延伸率(lv)超過(guo)1000%。

圖2 雙(shuang)相蜂(feng)窩殼(ke)結構納(na)米(mi)晶(jing)Ti6Al4V5Cu合金(jin)的組織表征與形(xing)成(cheng)機(ji)制分析，（a）HAADF成(cheng)像模式觀(guan)(guan)(guan)察；（b）能譜面(mian)掃(sao)描觀(guan)(guan)(guan)察；（c）雙(shuang)相蜂(feng)窩殼(ke)結構形(xing)成(cheng)機(ji)制示意圖；（d）XRD衍射(she)圖譜；（e）β·cos(θ)-sin(θ)圖，添(tian)加(jia)Cu使淬火后合金(jin)內的微(wei)觀(guan)(guan)(guan)應變增(zeng)大；（f）添(tian)加(jia)Cu細化了(le)馬氏體板(ban)條；（g）添(tian)加(jia)Cu有(you)利于(yu)合金(jin)在熱變形(xing)過程中(zhong)發生柱面(mian)滑(hua)移而形(xing)成(cheng)等軸晶(jing)結構。

圖(tu)3 雙(shuang)相(xiang)(xiang)蜂窩(wo)殼結構納米晶Ti6Al4V5Cu合(he)金(jin)的(de)(de)組織熱穩(wen)定性(xing)分析(xi)，（a）在不同溫度保(bao)溫1 小時后的(de)(de)EBSD組織；（b）高分辨(bian)TEM觀察，表明α、β、Ti2Cu相(xiang)(xiang)之間具有(you)特定的(de)(de)晶體學取向關系；（c）基于第(di)一(yi)性(xing)原(yuan)理計算材(cai)料相(xiang)(xiang)界能(neng)的(de)(de)模型(xing)；（d）EBSD極圖(tu)，表明α、β、Ti2Cu相(xiang)(xiang)在700℃保(bao)溫1小時后仍然(ran)可(ke)以保(bao)持初始的(de)(de)取向關系；（e）Ti6Al4V5Cu合(he)金(jin)初始態組織的(de)(de)3DAP分析(xi)；（f）Ti6Al4V5Cu合(he)金(jin)在650℃保(bao)溫1 小時后的(de)(de)3DAP分析(xi)。

圖4 原(yuan)位(wei)SEM觀(guan)察在650℃拉伸(shen)過程(cheng)中的(de)演(yan)變(bian)(bian)，（a）初始態SEM組織；（b）局部放大顯示材(cai)料(liao)具有(you)蜂窩殼結構(gou)；（c）ε=0.4時的(de)SEM組織；（d）局部放大顯示相(xiang)界周(zhou)圍(wei)的(de)FIB刻痕發生了(le)(le)偏折；（e）基于FIB刻痕節點(dian)位(wei)移計(ji)算材(cai)料(liao)內的(de)微觀(guan)應(ying)變(bian)(bian)分布；（e）相(xiang)界面滑移對(dui)材(cai)料(liao)的(de)超塑性變(bian)(bian)形發揮了(le)(le)重要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)。