與常規晶粒尺度（5-10μm）的鈦合金相比，超細晶鈦合金不僅具有更高的強度與良好的塑性匹配，同時(shí)還具有更高的耐磨性和更佳的生物相容性，在航空航天、生物醫學(xué)等諸多重要應用領(lǐng)域中極具吸引力。然而，超細晶鈦合金不僅制備加工極為困難，且組織的熱穩定性較差，這兩大瓶頸問(wèn)題制約了超細晶鈦合金的發(fā)展與應用。

中國科學(xué)院金屬研究所楊柯團隊長(cháng)期從事新型醫用金屬材料的基礎與應用研究。近期，團隊成員任玲、王海等通過(guò)“雙相殼層包裹超細等軸晶”的顯微組織設計思想（圖1），同時(shí)從熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)兩方面提高超細晶鈦合金組織熱穩定性，并利用常規熱處理與熱加工的工藝組合，實(shí)現了上述顯微組織的大尺寸制備，解決了超細晶鈦合金制備加工難、組織穩定性差的兩大瓶頸問(wèn)題，獲得了性能優(yōu)異和熱穩定性高的超細晶含銅鈦合金。近期，相關(guān)研究成果在《自然-通訊》（Nature Communications）在線(xiàn)發(fā)表。

研究團隊近年來(lái)一直致力于含銅鈦合金的結構與生物功能一體化研究與應用。在前期研究工作基礎上，團隊提出“共析元素合金化→淬火→熱變形”（EQD）的超細晶含銅鈦合金的制備策略（圖2），實(shí)現了雙相殼層包裹超細等軸晶的顯微組織的設計思想。該策略通過(guò)常規的熱加工設備實(shí)現了α-Ti晶粒尺寸在90-500 nm范圍內的超細晶Ti6Al4V5Cu合金的大尺寸制備（圖2）。與此同時(shí)，利用熱變形過(guò)程中形成的β/Ti2Cu雙相蜂窩殼結構包覆α晶粒，顯著(zhù)提高了超細等軸晶組織的熱穩定性，使材料的失穩溫度提高至973 K（0.55Tm）（圖3）。超細晶Ti6Al4V5Cu合金的室溫拉伸強度最高達到1.5 GPa，延伸率超過(guò)10%。在650℃和應變速率為0.01 s-1條件下，其拉伸延伸率超過(guò)1000%（圖1），實(shí)現了超塑性變形。此外，超細晶Ti6Al4V-5Cu合金在高溫拉伸的熱力耦合條件下未發(fā)生晶粒的粗化長(cháng)大（圖4）。該EQD策略不僅實(shí)現了TiCu、TiZrCu等其它鈦合金的高性能、高熱穩定性超細晶組織的制備，并已經(jīng)拓展至包括鋼鐵材料在內的其它合金體系中，為超細晶金屬材料的制備提供了新途徑，對超細晶金屬材料的設計和研究具有重要意義。

以上工作由金屬所楊柯、任玲團隊，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)邱冬團隊，金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心陳星秋團隊等合作完成。金屬所王海助理研究員為第一作者，金屬所任玲項目研究員、澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)邱冬教授為通訊作者。

該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)與面上項目、中國科學(xué)院國際合作重點(diǎn)項目、遼寧省“興遼英才計劃”等資助。

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

圖1 雙相蜂窩殼結構納米晶Ti6Al4V5Cu合金的組織設計與性能，（a）組織設計示意圖；（b）失穩溫度-晶粒尺寸圖，顯示材料具有良好的組織熱穩定性；（c）室溫強度-延伸率圖，相較于其它鈦合金，材料具有良好的強塑性匹配；（d）650℃/0.01s-1條件下的拉伸應力-應變曲線(xiàn)，材料的延伸率超過(guò)1000%。

圖2 雙相蜂窩殼結構納米晶Ti6Al4V5Cu合金的組織表征與形成機制分析，（a）HAADF成像模式觀(guān)察；（b）能譜面掃描觀(guān)察；（c）雙相蜂窩殼結構形成機制示意圖；（d）XRD衍射圖譜；（e）β·cos(θ)-sin(θ)圖，添加Cu使淬火后合金內的微觀(guān)應變增大；（f）添加Cu細化了馬氏體板條；（g）添加Cu有利于合金在熱變形過(guò)程中發(fā)生柱面滑移而形成等軸晶結構。

圖3 雙相蜂窩殼結構納米晶Ti6Al4V5Cu合金的組織熱穩定性分析，（a）在不同溫度保溫1 小時(shí)后的EBSD組織；（b）高分辨TEM觀(guān)察，表明α、β、Ti2Cu相之間具有特定的晶體學(xué)取向關(guān)系；（c）基于第一性原理計算材料相界能的模型；（d）EBSD極圖，表明α、β、Ti2Cu相在700℃保溫1小時(shí)后仍然可以保持初始的取向關(guān)系；（e）Ti6Al4V5Cu合金初始態(tài)組織的3DAP分析；（f）Ti6Al4V5Cu合金在650℃保溫1 小時(shí)后的3DAP分析。

圖4 原位SEM觀(guān)察在650℃拉伸過(guò)程中的演變，（a）初始態(tài)SEM組織；（b）局部放大顯示材料具有蜂窩殼結構；（c）ε=0.4時(shí)的SEM組織；（d）局部放大顯示相界周?chē)腇IB刻痕發(fā)生了偏折；（e）基于FIB刻痕節點(diǎn)位移計算材料內的微觀(guān)應變分布；（e）相界面滑移對材料的超塑性變形發(fā)揮了重要的作用。