中国科学家解决了钛合金“氮脆”问题，强塑性可兼顾

近日，西安交通大学材料学院研究成果在网上发表在Advanced上 Science(先进科学)。西安交通大学材料学院博士生张崇乐和李轩哲分别是论文的第一和第二作者。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室是该工作中唯一的通信单位。

双相钛合金(αβ)作为最重要的高强度结构材料之一，可以通过调节其主要组成相来调节——HCP-α相来获得广泛的机械性能。然而，高韧性双相钛合金往往面临冷作硬化率低的问题(WHR, Θ)由此产生的问题，导致对称延伸率有限(εu)。更重要的是，由于缺口原子(如N和O)的“毒性效应”(即显著恶化拉伸塑性)，上述原因引起的双相钛合金强度塑性倒置问题将进一步放大。如何有效利用N元素优异的增强能力，有效克服其脆性效应，仍是钛合金开发高性能结构面临的重要挑战。

针对上述问题，团队证明了间隙N原子-位错交互的不利影响可以逆转，从而协同提高双相钛合金的强度和塑性。

该策略的原理是：间隙原子-位错的相互作用不仅促进了溶质偏聚的亚结构(如低视角晶体边界)的形成，LAGBs)为了实现加强，它还可以聚集在位错的核心，以控制基体的变化行为。因此，团队通过简单的循环热轧和短期固溶技术，控制N原子-位错在高温下的交互，以控制Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al-0.4N(wt.%)双相合金的微观结构。

在此基础上，构建了一种由聚集N原子的LAGBS组成的异质层状结构α以及由间隙N原子强化的PP晶体，α-由NTNMS组成β转换结构。这种异质层状结构将合金的流变应力提高到足以激活位错的CRSS水平，导致LAGBS和聚集N原子的LAGBSα-NTNMS共格界面成为丰富的位错源，促进C轴变形和波状运动;同时，LAGBS和共格界面聚集了N原子α-NTNMS界面允许位错通过，以减少应力集中。

这种采用N原子-位错交互设计的层状结构，赋予空隙N夹杂的Ti-Cr-Zr-Al双相钛合金优异的室温力学性能：极高的妥协/抗拉强度~1532/1869 MPA和大对称延伸率εu ~10.2%，同时具有高冷硬化能力(σUTS - σy)~337 MPa，超过了目前报道的所有钛合金。为了构建独特的微观结构，团队提出的间隙原子位错交互的双重功能可以在间隙强化钛合金中获得超高强度和大拉伸塑性，并有望扩展到其他高性能合金产品。