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2022-12-05 20:10:35 heminbo888 0

首页-安信10娱乐-安信10平台【安信10注册登录】报道,钛及其合金——特别是Ti-6Al-4V——有着高强度和优异的耐腐蚀性,因此它们广泛应用于从航空航天到生物医学植入等关键应用领域。其塑性变形能力是有限的,在很大程度上由低温α相的密排六方(HCP)结构所决定。关于Ti的面心立方 (FCC) 相是否可以在室温下稳定存在的争议可以追溯到几十年前。此前研究者们普遍认为,Ti的FCC形式要么是金属间化合物,如氢化物,要么是当钛合金受到电子束或电离辐射时,所出现的高度局域化和缺陷稳定的亚稳态相。

现有争论主要集中在以间隙原子形式存在于钛合金中的轻元素如H、C、N和O与基体Ti作用的不确定性上。众所周知,在钛合金中,O在低浓度时具有显著的强化效应,而在较高浓度时,这可能很快变成脆化效应。因此,在钛合金的常规冶金加工中,精确控制间隙元素含量是一个重要的考虑因素。金属增材制造(AM)过程中的快速凝固、交替热循环和热应力造就了高度非平衡态的微观结构,这与传统冶金加工所遇到的情况有很大差异。AM过程中较高的热梯度,快速的温度变化和热累积,再加上原材料(金属粉末)和打印环境大大增加了引入间隙元素的可能性,并最终影响材料的强度、延展性、疲劳寿命及其他关键性能。最近有研究表明,此类动力学过程能够引入间隙位置强化,有助于同时增强某些材料的强度和延展性。在这里,我们在激光粉末床打印Ti-6Al-4V的过程中,通过引入间隙态氧元素,从而导致了FCC Ti相的形成,显著地提升了材料的力学性能。


02【成果简介】

近日,悉尼大学廖晓舟教授(共同通讯作者),Simon Ringer教授(共同通讯作者),共同第一作者王昊,崔相远博士,迪肯大学徐嵬教授(共同通讯作者),晁琦博士(共同第一作者),香港理工大学陈子斌博士 (共同通讯作者)与团队成员利用透射电子显微镜、扫描电子显微镜和三维原子探针技术在激光粉末床打印的Ti-6Al-4V 中发现了固溶态氧稳定的面心立方FCC相。该FCC相被命名为C相,有着0.406 nm的晶格常数,同时与母相α' (马氏体相)具有如下特定的取向关系:(0001)a'//{111}C, 且 //。作者发现该C 相的形成是由热梯度、马氏体相变引起的变形和局部O元素富集共同作用的结果,使得在高温下可以实现从密排六方α′相到C相的原位相变。密度泛函理论计算(DFT)表明,FCC结构的八面体间隙中的氧占用在能量上优于α′相的相应位置。原位力学测试结果表明,FCC相的存在显著提高了样品的局部屈服强度,从只含α′相时的1.2 GPa提高到α′相和FCC相体积分数基本相等时的1.9 GPa。与此同时,块体材料的塑性与加工硬化率都有提升。该工作为增材制造高性能钛合金设计提供了新的途径。

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


03【图文导读】

图1:扫描电镜数据展示增材制造钛铝钒合金样品中C相体积分数随样品高度的变化

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a) 示意图指出了扫描电镜样品和透射电镜样品的取样位置。

b) 顶层样品的扫描电镜电子背散射衍射相图,主要结构为α' 马氏体(红色区域)。

c) 中层样品的扫描电镜电子背散射衍射相图,主要结构为α' 马氏体与C相(即FCC相,绿色区域)。

d) 双相区域的投射菊池衍射相图,主要结构为α' 马氏体与C相。

e) 对应的透射电镜(TEM)明场相,插图为对应的衍射花样。

图2:对C相的透射电镜(TEM)表征

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a -b) 在[001]和[011]轴态下C相的扫描透射高角环形暗场像。

c -d) 对应的快速傅里叶转换倒空间点阵。

e -f) C相与α'相的TEM明场相与对应的衍射花样。

g) 双相区域的原子分辨像,表明了两相取向关系为(0001)a'//{111}C, and //。

图3:对C相的元素分析

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  1. a) TEM暗场相,亮衬度区域为C相。

b -c) 该区域对应的电子能量损失谱的低能区和高能区。

d -e) 两相区原子探针层析,发现C相有30 at.%的氧元素富集。

图4:DFT计算结果


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