Acta Materialia丨北理工程兴旺：低密度近α钛合金，冲击载荷下的“抗压高手”！
2024-12-26 13:28:34
作者：材料设计 来源：材料设计
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钛合金因其低密度、高比强度以及优异的耐腐蚀性，在商用飞机和载人航天飞行中得到了广泛应用。在冲击载荷作用下，剧烈的塑性变形会产生热量，导致局部温度升高以及与绝热剪切带（ASBs）形成相关的应变软化，进而引发塑性失稳甚至失效。在冲击加载环境下工作的钛合金需要具备优异的动态性能。这项工作中，北京理工大学程兴旺教授团队揭示了一种具有卓越动态压缩性能且密度低至4.36g/cm³的Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金，其动态强度高达约1.72GPa，动态压缩应变约为27.2%，这得益于变形诱导层状微观结构以及变形促进碳偏析所产生的协同效应。这种低密度的Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金由纳米级有序的Ti₃Al（α₂）颗粒增强的等轴α相晶粒组成，这些晶粒通过β相晶界结合在一起。双相层状微观结构的形成归因于α相晶粒的塑性流动稳定性，这与相对较硬的β相所施加的几何约束以及棱柱〈a〉位错和锥面〈c + a〉位错的激活有关。α相在剧烈塑性变形过程中产生的热量通过促进碳沿滑移轨迹偏析而得以耗散，从而有效延缓了与动态再结晶相关的应变软化。由于α相和β相之间塑性变形的不相容性，最终引发了剪切失稳，导致层状微观结构发生局部旋转。绝热剪切带（ASBs）出现在几何剪切带中。剧烈变形产生的热量促进了剪切带内的动态再结晶和应变软化。本项工作为通过耦合微观结构工程与热力学偏析-耗散机制来开发具有优异动态响应的钛合金提供了一种新策略。
相关成果以「Enhanced dynamic compression properties of a low density near-α titanium alloy associated with deformation induced laminated microstructure and dynamic segregation」为题刊登在Acta Materialia上。
图1. (a) 带限位环的动态压缩实验示意图。(b) 微观结构观察的取样方向和横截面。
图2. 退火Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金的微观组织。
图3. Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金在不同动态压缩应变下的扫描电子显微镜（SEM）形貌。（a）5%，（b）10%，（c）15%，（d）至断裂。 图4. Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金在不同准静态压缩应变下的SEM形貌。（a）5%，（b）10%，（c）15%，（d）至断裂。图5. （a）动态压缩样品中α晶粒内白色条纹到断裂的SEM形貌和FIB样品的制备过程。（b）FIB样品的BF图像。（c）（b）中α晶粒记录的SAED图案。（d）α晶粒内放大的BF图像。（e）（d）中黄色框对应的碳的EELS组成分布图。（f）动态压缩样品中α晶粒内白色条纹到断裂的SEM形貌。（g）（f）对应的碳的TOF-SIMS组成分布图。图6. （a）动态和准静态压缩下Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C和Ti-6Al-4V合金的真实应力应变曲线。（b）Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C和Ti-6Al-4V合金的应变硬化速率曲线。（c）Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金与其他常见钛合金的动态抗压强度和塑性比较。（d）Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金与其他常见钛合金的冲击吸收能和密度比较。研究人员通过实验和理论分析，成功开发了一种新型低密度近α钛合金Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C，该合金在冲击载荷下展现出卓越的动态压缩性能。这种性能的提升主要得益于合金中变形诱导的层状微观结构和变形促进的碳偏聚的协同作用。研究结果表明，通过微观结构设计和热力学分离-耗散机制的耦合，可以有效提升钛合金的动态响应性能。这一发现为未来钛合金在极端服务条件下的应用提供了新的设计思路，特别是在需要高动态性能和优异冲击吸收能量的领域，如航空航天和高速交通工具。研究人员的工作不仅推动了钛合金材料科学的发展，也为相关工业应用提供了重要的技术支撑。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120653
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