钛及钛合金粉末冶金制备技术在新型合金成分设计、组织均匀调控、近终形制备及产品稳定性等方面具有显著优势。然而，高活性钛粉极易受间隙氧元素污染，导致其粉末冶金制件力学性能严重恶化。钛合金（如Ti6Al4V）一般对氧的临界容忍含量为 0.33 wt.%，一旦超出其塑性大幅下滑。因此，如何解决高氧钛粉的氧脆化问题是实现其在高性能粉末冶金钛制件应用的关键。

近日，北京科技大学路新教授团队提出了钙系化合物原位固氧提升高氧钛制件强塑性的新方法，相关工作在金属材料顶刊Acta Materialia上发表了题为“Achieving synergy of strength and ductility in powder metallurgy commercially pure titanium by a unique oxygen scavenger”的研究论文，论文第一作者为潘宇副教授，通讯作者为路新教授。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119485

该工作首先揭示了高氧钛粉中氧杂质元素的存在形式，一部分氧以间隙固溶形式存在基体中，另一部分氧以连续氧化膜形式存在粉末表面，TEM和XPS结果证实粉末表面存在一层由TiO₂、Ti₂O₃和TiO组成的连续氧化膜，厚度约为 9.3 nm，且该氧化膜在700~800 ℃开始向钛基体中大量溶解。为了避免间隙氧固溶对钛制件力学性能的恶化，提出在粉末表面氧化膜溶解前实现吸附固氧，探明了氧吸附剂CaC₂与钛粉表层氧化膜的反应相变机制。氧吸附剂CaC₂与氧化膜的反应温度为 617~676 ℃，抑制间隙氧固溶的同时在钛基体中原位生成纳米CaTiO₃和微米TiC颗粒，有效细化了组织晶粒。氧吸附剂对钛基体的“固氧净化”作用大幅提升其室温塑性，同时衍生的多级多尺度陶瓷相颗粒产生的细晶强化、Orowan强化、承载强化等有效提升了钛制件的力学强度。因此添加了0.4 wt.%CaC₂的钛制件在4000ppm高氧含量条件下，其室温延伸率仍高达29.3%，抗拉强度也达到 621 MPa，远优于ASTM-B381锻造钛合金标准中同等氧含量的钛制件力学性能指标（15%和550 MPa）。本研究揭秘了高氧条件下高强塑粉末冶金钛制件的性能改善机制，对于推进钛合金领域低成本化应用进程具有重要意义。

图1 (a) 原料钛粉SEM图; (b) 钛粉表面氧化膜TEM图; (c) 氧化膜元素面扫; (d)表面氧化膜HRTEM图; (e) 蓝框区域FFT图；(f) 红框区域IFFT图；(g) 原料钛粉XPS分析。

图2 CP-Ti和Ti-xCaC₂合金的XRD分析(a-b)和EBSD分析(c-h)；CP-Ti(c,f)，Ti-0.4CaC₂(d,g)和Ti-1.0CaC₂(e,h)的IPF图和晶粒统计图。

 图3 Ti-0.4CaC₂合金的TEM分析：(a) 明场图; (b-e) 点1-3的SAED衍射图; (d) 元素点扫图; (f) 元素面扫图; (g)衍生CaTiO₃颗粒的高倍明场图; (h) 相界面HRTEM图。

 图4 Ti-0.4CaC₂合金晶界处和含钙氧化物颗粒位置的APT分析：(a) Ti, Ca, O和C原子分布图; (b,c) 晶界和氧化物颗粒元素线扫图；(d) Ca、O原子三维重构图。

图 5. (a) CP-Ti和Ti-xCaC2合金的室温拉伸工程应力-应变曲线; (b) 拉伸数据综合对比; CP-Ti(c)、Ti-0.2CaC2(d)和Ti-1.0CaC2(e-f)合金的拉伸断口分析。

【作者简介】

通讯作者：

路新，北京科技大学教授，博导，全国五一巾帼标兵，国家重大人才工程计划入选者，国家优秀青年基金获得者，全国黄大年式教师团队核心成员。兼任《粉末冶金技术》期刊副主编、中国材料研究学会青年工作委员会常务理事。以第一完成人获中国有色金属工业科技发明一等奖等行业科技奖6项。先后主持国家级、省部级及产学研项目80余项，发表论文150余篇，制定标准4项，出版专著2部，申获国家专利60余项，10项产业化转让。个人获北京市优秀德育工作者、北京市教书育人先锋、中国冶金青年科技奖、杰出工程师青年奖、全国有色金属优秀青年科技奖、首都女教授“科技之星”等多项荣誉。

第一作者：

潘宇，北京科技大学特聘副教授，硕导，国家博新计划入选者。主持国家自然科学基金、中国博士后创新人才支持计划、博士后科学基金面上项目、北京科技大学人才引进项目等；以一作/通讯于Acta Mater., Corros. Sci., J. Mater. Sci. Technol.等国内外高水平期刊发表SCI论文26篇，申获国家发明专利40余项，美国/欧洲专利2项，已授权26项；出版专著2部，编制标准1项。获教育部技术发明二等奖、中国发明协会“发明创新”一等奖、中国有色金属学会优秀博士论文、北京科技大学“校长奖章”等多项荣誉。