01 【引言】

鈦及其合金——特別是Ti-6Al-4V——有著高強度和優(yōu)異的耐腐蝕性，因此它們廣泛應用于從航空航天到生物醫(yī)學植入等關鍵應用領域。其塑性變形能力是有限的，在很大程度上由低溫α相的密排六方（HCP）結構所決定。關于Ti的面心立方 （FCC） 相是否可以在室溫下穩(wěn)定存在的爭議可以追溯到幾十年前。此前研究者們普遍認為，Ti的FCC形式要么是金屬間化合物，如氫化物，要么是當鈦合金受到電子束或電離輻射時，所出現的高度局域化和缺陷穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài)相。

現有爭論主要集中在以間隙原子形式存在于鈦合金中的輕元素如H、C、N和O與基體Ti作用的不確定性上。眾所周知，在鈦合金中，O在低濃度時具有顯著的強化效應，而在較高濃度時，這可能很快變成脆化效應。因此，在鈦合金的常規(guī)冶金加工中，精確控制間隙元素含量是一個重要的考慮因素。金屬增材制造（AM）過程中的快速凝固、交替熱循環(huán)和熱應力造就了高度非平衡態(tài)的微觀結構，這與傳統(tǒng)冶金加工所遇到的情況有很大差異。AM過程中較高的熱梯度，快速的溫度變化和熱累積，再加上原材料（金屬粉末）和打印環(huán)境大大增加了引入間隙元素的可能性，并最終影響材料的強度、延展性、疲勞壽命及其他關鍵性能。最近有研究表明，此類動力學過程能夠引入間隙位置強化，有助于同時增強某些材料的強度和延展性。在這里，我們在激光粉末床打印Ti-6Al-4V的過程中，通過引入間隙態(tài)氧元素，從而導致了FCC Ti相的形成，顯著地提升了材料的力學性能。

02 【成果簡介】

近日，悉尼大學廖曉舟教授（共同通訊作者），Simon Ringer教授（共同通訊作者），共同第一作者王昊，崔相遠博士，迪肯大學徐嵬教授（共同通訊作者），晁琦博士（共同第一作者），香港理工大學陳子斌博士 （共同通訊作者）與團隊成員利用透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡和三維原子探針技術在激光粉末床打印的Ti-6Al-4V 中發(fā)現了固溶態(tài)氧穩(wěn)定的面心立方FCC相。該FCC相被命名為C相，有著0.406 nm的晶格常數，同時與母相α‘ （馬氏體相）具有如下特定的取向關系：（0001）a’//{111}C， 且 //。作者發(fā)現該C 相的形成是由熱梯度、馬氏體相變引起的變形和局部O元素富集共同作用的結果，使得在高溫下可以實現從密排六方α′相到C相的原位相變。密度泛函理論計算（DFT）表明，FCC結構的八面體間隙中的氧占用在能量上優(yōu)于α′相的相應位置。原位力學測試結果表明，FCC相的存在顯著提高了樣品的局部屈服強度，從只含α′相時的1.2 GPa提高到α′相和FCC相體積分數基本相等時的1.9 GPa。與此同時，塊體材料的塑性與加工硬化率都有提升。該工作為增材制造高性能鈦合金設計提供了新的途徑。

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

03 【圖文導讀】

圖1：掃描電鏡數據展示增材制造鈦鋁釩合金樣品中C相體積分數隨樣品高度的變化

a） 示意圖指出了掃描電鏡樣品和透射電鏡樣品的取樣位置。

b） 頂層樣品的掃描電鏡電子背散射衍射相圖，主要結構為α‘ 馬氏體（紅色區(qū)域）。

c） 中層樣品的掃描電鏡電子背散射衍射相圖，主要結構為α’ 馬氏體與C相（即FCC相，綠色區(qū)域）。

d） 雙相區(qū)域的投射菊池衍射相圖，主要結構為α‘ 馬氏體與C相。

e） 對應的透射電鏡（TEM）明場相，插圖為對應的衍射花樣。

圖2：對C相的透射電鏡（TEM）表征

a -b） 在［001］和［011］軸態(tài)下C相的掃描透射高角環(huán)形暗場像。

c -d） 對應的快速傅里葉轉換倒空間點陣。

e -f） C相與α’相的TEM明場相與對應的衍射花樣。

g） 雙相區(qū)域的原子分辨像，表明了兩相取向關系為（0001）a‘//{111}C， and //。

圖3：對C相的元素分析

a） TEM暗場相，亮襯度區(qū)域為C相。

b -c） 該區(qū)域對應的電子能量損失譜的低能區(qū)和高能區(qū)。

d -e） 兩相區(qū)原子探針層析，發(fā)現C相有30 at.%的氧元素富集。

圖4：DFT計算結果

a -b） DFT結果證實O元素在FCC結構中處于低能級態(tài)。

c） DFT結果指出O原子之間第一近鄰能級態(tài)最高，證明了O元素在C相中是固溶強化的作用，而不是TiO金屬互化物。

圖5：力學性能測試

a） 原位圓柱壓縮實驗真實應力應變曲線。

b） 雙相圓柱變形后的TEM明場相，在C相中觀測到大量變形孿晶和高密度位錯。

c） 塊體樣品的工程應力應變曲線對比。

d） 塊體樣品的加工硬化率對比。

審核編輯 ：李倩