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】
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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(溶液处理和退火)条件下微观结构表征】
为了探究材料强度随溶液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。增加溶液处理的温度可以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-相在初始溶液处理阶段形成。
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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)
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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(溶液处理)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-相在初始溶液处理阶段形成,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。
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图5 ST条件下微观组织结构(a)1300ST(1300华氏度溶液处理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华氏度溶液处理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 。
来源:材料人网