【原】金属所顶刊：新型合金设计思路！实现超稳定纳米尺寸晶粒

导读：将晶粒细化到纳米级可以大大提高金属的强度。但纳米结构金属的应用受限于其复杂的制造技术和较差的结构稳定性。中科院金属所提出一种简单的工艺，即“共析元素合金化→淬火→热变形”（EQD）策略。该策略能够大规模生产晶粒尺寸为95±32nm的Ti6Al4V5Cu（wt.%）合金（α-Ti）。此外，Ti₂Cu和β相沿晶界快速共沉淀形成“双相蜂窝壳”（DPHS）结构，有效地稳定了α晶粒。室温拉伸强度接近1.52±0.03GPa，在不牺牲延展性的情况下，比Ti6Al4V高60%。此外，923 K下的伸长率超过1000%。为制造纳米结构材料开辟了一条新途径，并且在其他合金系统中也具有巨大的应用潜力。

纳米结构金属材料表现出超高的强度和硬度。然而，较高的晶界体积分数为晶粒粗化提供了强大的驱动力。在大多数纳米结构金属中，在0.25~0.4Tm的温度范围内观察到显著的晶粒生长（Tm为熔点）。即负载条件下，纳米结构材料的稳定性进一步降低。例如，纳米结构的纯Al和Ni，在室温下的塑性变形过程中观察到晶粒生长，此种热和机械不稳定性严重限制了纳米结构金属材料的应用。

广泛的研究表明，纳米结构可以通过热力学或动力学策略来稳定。在热力学上，通过溶质偏析降低晶界能，降低晶粒粗化的驱动力。例如在Ni-W、Co-P和Ni-Fe合金。此外，在纯Cu或Ni中使用小角度晶界或双边界结构也可以稳定纳米结构。在动力学上，晶粒粗化的驱动力可以通过钉扎晶界的沉淀颗粒来抵消。例如，Cu-Ta合金。当热力学和动力学策略结合在一起时，纳米结构的稳定性可以进一步增强。然而，这需要一种更巧妙的纳米结构设计策略，不仅应采用低能界面，还应在低能界面上引入热稳定的第二相。

中科院金属所基于Ti6Al4V5Cu合金，开发了一种双相蜂窝壳(DPHS)纳米结构。等轴纳米颗粒类似于蜂窝中的隔室，完全封装在薄的双相壳中。热稳定性差的大角度晶界被低能相界所取代，以热力学稳定纳米结构。此外，双相壳中生长相受到另一相的约束，因此壳本身具有较高的稳定性。当纳米结构暴露于高温或塑性变形时，稳定的壳结构可以在纳米颗粒上施加有效的钉扎力以在动力学上稳定纳米结构。此项研究发表在Nature Communications上，题目为“Manufacture-friendly nanostructured metals stabilized by dual-phasehoneycomb shell”。链接： 

https:///10.1016/j.actamat.2022.117868

图1  (a)双相蜂窝壳(DPHS)纳米结构；(b)不稳定温度与平均晶粒尺寸。用电沉积严重塑性变形热机械处理表面机械磨损和机械合金化处理的金属的文献数据。误差棒表示测量晶粒尺寸的标准偏差。(c)拉伸强度与伸长率；(d)923K时的应力与应变曲线，展示了Ti6Al4V5Cu合金的超塑性

图2  (a)透射电子显微镜所制备的Ti6Al4V5Cu合金的大角度环形暗场(HAADF)。(b)X射线能量色散光谱(XEDS)分析。(c)共析元素合金化、淬火和热变形(EQD)策略的示意图。(d)淬火后材料的(XRD)。(e) βcos(θ)与sin(θ)关系曲线。晶格应变ε和晶畴尺寸D由曲线的斜率和截距确定。误差条表示测量的βcos(θ)值。(f)淬火后材料的TEM明场。(g)变形材料的IPF（压缩方向）。

图3  (a)Ti6Al4V5Cu样品在不同温度下退火的IPF图，为简洁起见，仅显示了α相的IPF图，图中表示压缩方向（CD）。(b)HRTEM显示α/Ti₂ Cu/β相的低错配取向关系。(c)为第一原理计算的界面结构模型。(d)Ti6Al4V5Cu样品在973K退火后的极图，保留了初始的低能取向关系。(e)对Ti6Al4V5Cu样品APT分析，铜浓度梯度表明Ti₂ Cu/β壳可以快速形成。(f) 923K/1h退火Ti6Al4V5Cu样品的APT分析。(e)和(f)中的误差线表示测量的Al、V、Cu含量的标准偏差。

图4  在 923 K 拉伸试验中对基准标记样品进行的原位SEM

此研究展示了一种低成本EQD策略，构建出DPHS纳米结构来实现超稳定纳米尺寸晶粒。有效克服了金属块状成型工艺中保留纳米级晶粒的关键挑战。此外，EQD策略也适用于其他共析合金系统。例如，制造了具有DPHS纳米结构的高稳定性Ti15Zr7Cu合金。此报道具有可以扩展到其他合金系统的前景，例如合金钢，促进了大型纳米结构金属材料的大规模应用。

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