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2021年9月17日，《Science》杂志的封面文章报道了美国加州大学与劳伦斯伯克利国家实验室在纳米孪晶钛方面的研究成果。
研究人员在纯钛中通过低温力学过程构建多尺度孪晶结构，显著提高了其强度和塑性。在-196℃低温状态，该材料表现出优于大部分钛合金甚至部分低温用钢的力学性能。此外，该材料具备优异的热稳定性，可在高达600℃的环境中保持微观结构不变。
图1 《Science》杂志当期封面
一、研究情况
研究人员利用超低温锻造方法，在密排六方结构的纯钛中制备了多尺度的孪晶结构（以往仅在面心立方结构的金属中实现）。研究人员将高纯钛（Ti wt%＞99.95）立方体样品浸没于-196℃的液氮中，先后在x、y、z三个方向施加轴向压力，最后在400℃环境中加热1h，以释放加工过程中的应力。
EBSD结果显示，纯钛的等轴晶内部出现了大量交错分布的微米或纳米尺度荚状孪晶，导致其力学性能大幅提升。常温拉伸强度和断裂延伸率分别为500MPa和70%，较纯钛提升了50MPa和17%。在-196℃，其力学性能进一步提高，拉伸强度高达2GPa，断裂延伸率接近100%，性能优于大部分钛合金甚至某些低温用钢。此外，上述孪晶结构可在600℃的环境中保持稳定，既未发现明显的晶粒长大，也未有明显的孪晶界数量减少。
图2 纳米孪晶钛的EBSD反极图
图3 纳米孪晶钛的低温锻造过程示意图
二、意义分析
如何既提升强度又改善塑性一直是材料界面临的难题。近二十年，材料领域在纳米孪晶金属方面开展了大量研究，发现孪晶的相干性可以根据位错特性选择性地阻断或传输位错，从而分别提高强度和塑性。然而，以往仅在铜和钢这类面心立方结构的金属中成功制备了纳米孪晶。此次创新性地利用低温锻造方法，在超低温环境下通过力学诱导，成功在密排六方结构的纯钛中制备了孪晶结构。为提升纯钛力学性能并推广其工程应用开辟了新的方向。
制备的纳米孪晶钛在极端环境的力学性能甚至优于传统的TC4高强钛合金，可与CrCoNi基高熵合金的力学性能相媲美。同时，制备工艺简单，并且不含合金元素，易于回收再利用，具有很好的成本效益。在深海或外太空等极寒环境中可替代常用的18Mn-5Cr、32Mn-7Cr-0.6Mo-0.3N奥氏体钢和Fe-9Ni铁素体钢等材料，但密度仅为上述材料的一半。此外，由于该纳米孪晶结构具备优异的热稳定性，还可应用于航空发动机内部低于600℃的工作区域。
三、结语
纳米孪晶钛不仅具有优异的常温和低温力学性能，而且具备优异的热稳定性，可满足目前绝大多数极端环境的工程应用要求，包括深海、外太空等极寒环境以及燃气发动机内部的高温环境。因此，利用低温锻造技术制备纳米孪晶钛不仅具有很高的科学意义，还具有广阔的工程应用前景。目前研究人员正在探索上述技术是否可推广应用至其他金属材料。
作者：立楷，技术发展中心.
参考文献：S. Zhao, R. Zhang, Q. Yu, J. Ell, R. Ritchie, A. Minor, Science 373, 1363-1368(2021), https://doi.org/10.1002/adma.202104467.
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