西北有色金属研究院Carbon：超高强度与塑性兼备的Ti-6Al-4V复合材料：石墨烯诱导原位形成TiC和相干纳米相

研究背景

在航空航天、军事以及海洋工程等领域，对结构材料的轻质、超高强度和优异塑性提出了极高的要求。钛合金因其低密度、高比强度和良好的耐腐蚀性而成为这些领域的首选材料。特别是β型钛合金，通过丰富的微观结构可以达到1600至1800 MPa的超高强度，但其塑性通常只在4%至6%的范围内。因此，如何打破强度与塑性之间的权衡壁垒，成为钛合金研究中的一大挑战。传统上，为了提高钛合金基复合材料（TMCs）的性能，研究者们通过熔融或粉末冶金方法引入微米或纳米级的增强体（如TiC、TiB和石墨烯等）。这些增强体虽然在提高高温力学性能方面效果显著，但在高温熔融过程中的粗化问题难以避免，导致材料塑性降低，抗拉强度也只能达到900至1300 MPa的范围。近年来，通过在金属和合金中形成均匀分布的纳米级相干析出相，来实现超高强度而不显著损失塑性，成为了一个新的强化策略。在钛合金中，通过剧烈塑性变形或复杂的热处理过程，通常可以产生纳米级相干的中间相（如α’、α”、亚稳态ω等）。这些相干界面和纳米孪晶的形成，可以有效抑制应力集中并吸收塑性应变，从而提高材料的拉伸塑性。。

成果简介

在这项研究中，研究人员成功制备了一种新型的Ti-6Al-4V（Ti64）基复合材料，通过简单地引入商业化的碳物质（还原氧化石墨烯，rGO）到Ti64中，利用粉末冶金方法制备了具有纳米级相干α”沉淀相和TiC的Ti64-C复合材料。这种复合材料展现出了超高强度和大塑性的特点，其抗拉强度达到了1510 MPa，延伸率约为10%，成功打破了金属基复合材料中常见的强度与塑性权衡壁垒。研究人员通过球磨、放电等静压烧结和热轧技术，制备了Ti64-C复合材料。他们发现，rGO的加入促进了TiC的原位形成，并且这些TiC颗粒主要沿着Ti64粒子的边界形成了网络结构。此外，复合材料中的α-Ti相呈现出近等轴形态，并且具有(0001)基面织构的均匀晶体取向。残留的β-Ti相则以近等轴形状散布并嵌入在α-Ti基体中。透射电子显微镜（TEM）和高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）的分析显示，这些α”沉淀相与β-Ti基体之间存在特殊的取向关系和相干界面。

图文导读

图1 Ti64-C复合材料在室温下的超常强度-塑性组合。(a) Ti64和Ti64-C复合材料的典型工程拉伸应力-应变曲线；(b, c) Ti64-C复合材料与其他报道的高性能Ti基复合材料相比的抗拉强度和强度增量△σ（△σ = σc – σm, σc和σm分别是Ti64-C和Ti64样品的抗拉强度）以及拉伸断裂延伸率

图2 使用相同工艺制备的Ti64和Ti64-C复合材料的微观结构。(a) Ti64合金的反极图（IPF）图，显示层状微观结构；(b) Ti64合金中层状β-Ti的亮场透射电子显微镜（BF-TEM）显微图像及其选区电子衍射（SAED）图案；(c) Ti64-C复合材料中TiC网络结构的低倍图像；(d) Ti64-C复合材料的IPF图，显示等轴α-Ti；(e) Ti64-C复合材料中富含α”纳米相的等轴β-Ti的BF-TEM显微图像和SAED图案

图3 Ti64-C复合材料中独特的纳米级三角结构。(a) DF-TEM，(b) SAED，以及(c)原子HADDF-STEM显微图像和快速傅里叶变换（FFT）的α”沉淀相，沿[111]β //[110]α”区轴观察显示三个β/α”取向变体及其相干界面；(d-f)沿[100]β //[100]α”区轴观察的DF-TEM，SAED，和原子HADDF-STEM显微图像显示三个β/α”取向变体及其相干界面。每个α”针之间的角度正好是90度，由于惯常的<100> β的立方对称性。沿这个方向，β/α”相界结构仍然是相干的：

图4 Ti64-C复合材料中包含纳米级α”沉淀相的区域的EDS映射。

图5 通过原位拉伸测试观察Ti64-C复合材料的断裂行为。(a) Ti64-C复合材料的载荷-位移曲线，有几个暂停阶段；(b-f) 在(a)中标记的(b-f)暂停阶段的Ti64-C复合材料的裂纹演变和微观结构图像。

小结

这项研究通过引入商业化的rGO纳米粉末，成功地制备了具有超高强度和优异塑性的Ti64基复合材料。研究人员揭示了TiC颗粒和α”纳米沉淀相与Ti64基体之间的相互作用，以及这些相互作用如何导致材料强度的显著提高。同时，他们也发现高密度的相干纳米级α”沉淀相及其孪晶行为是材料大塑性的原因。这些发现不仅为碳纳米材料增强的Ti基复合材料的强化和增韧机制提供了基础性的见解，也为未来设计和开发具有超常力学性能的结构材料提供了新的思路。通过这种简单的粉末冶金和热轧工艺，研究人员成功地制备了这种高性能的复合材料，为钛合金在高端应用领域的进一步发展铺平了道路。

Ultrahigh strength – ductility in Ti-6Al-4V composites with high-activity graphene-induced in-situ TiC and coherent nanophases

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119760