导读：间质溶质（例如O，N）通常可以增强强度，但是，它们也导致钛（Ti）合金的延展性显著降低甚至脆化。因此，使用不可避免的间隙O和N原子来获得具有超高比强度的低成本、韧性Ti合金对于工业应用具有重要意义。本文以Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N（wt.%）合金为模型材料，通过微米级初级α、纳米级次级α和超细α-Widmanst tten纳米沉淀在β基体中，成功地获得了高达1800 MPa的超高屈服强度。

具有高延展性的超强合金对于解决轻量化的关键挑战至关重要，这使得高比强度钛（Ti）合金成为航空航天和军事工业中使用的最有前途的材料。Ti合金的高成本是大多数工程应用的障碍。除了原材料的成本外，这些间质溶质，例如O和N，推动了加工和制造中净化成本的增加，以避免其对机械性能的毒害作用，例如氧脆化（通常与晶界（GB）开裂有关）。另一方面，微观结构敏感设计是实现低成本、超强和韧性Ti合金的更好途径。在这些晶格缺陷中，GB和异质相边界（PB）在通过所谓的晶界工程（GBE）调整合金的机械性能方面特别有效，例如，调节GB/PB的数量或排列。

由于Ti合金的GB相关性能受到在热负荷下GB的不稳定性（低热稳定性/高迁移率）的限制，因此目前，实现高强度和韧性Ti合金的流行策略是在β-基体中构建分层α纳米结构，通过引入丰富的PBs，可以显着提高强度，加工硬化能力和延展性。通常，位错克服障碍物所需的临界应力与障碍物的平均间距成反比，获得微结构中具有较小平均颗粒间距的纳米沉淀一直是人们追求的目标，从而可以增强甚至延展/韧化合金。

实际上，钛合金中GB缺陷的处理，特别是利用这些间隙杂质，是值得关注的，因为它为提高强度-延性组合提供了另一个自由度。力学上，连续富集α-GBs的α-稳定剂（如O和N元素）强度低于沉淀硬化的β-基体，这导致α-GBs与转化β-基体（βtrans）强度不匹配，具有明显的应变不亲和性，从而导致低延性，这是由晶间断裂和强度大散射引起的。最近，为了缓解连续αGBs对β - c合金力学性能（特别是延性）的不利影响，通过微量c掺杂和冷加工，在β-c合金中发展了一种不连续α结构。使用透锻，也可以实现类似的结构，以提高Ti-1023合金的强度-塑性平衡。抑制连续αGBs可以提高钛合金的延展性和韧性。

因此，有必要设计一种能提高间质耐杂Ti合金的GB力学稳定性，同时提高强度和延性的微观组织设计，以获得更好的抗断裂性能。西安交通大学张金钰教授团队受Ti基复合材料中与GB相关的增强网络微观结构的启发，设计了直接由β-GB开发的新型纳米级α-Widmanst tten侧板（αWGBs）来应对这一挑战。在钛合金中，αWGBs相与基体的应变相容性优于常规粗结构Widmanst tten相，能有效钝化裂纹尖端，从而阻止裂纹扩展。特别是在钛合金的加工和制造过程中有意或自然加入的间隙（O, N）原子，往往对合金的力学性能有害，充分利用这些间隙（O, N）原子来设计渗透αWGBs网络，以抑制αGBs，提高GB的内聚力和应变相容性。结果表明，采用由微米级初生α相（αp）、纳米级初生α相（αs）和αWGBs纳米板组成的新型非均质组织，制备了低成本、韧性好的Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N（Ti-1800）合金，获得了高达1780 MPa的高屈服强度。

相关研究成果以题“Making a low-cost duplex titanium alloy ultra-strong and ductile via interstitial solutes”发表在Acta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422007881

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