基于Co合金化Ti–Cu前驱体的双连续Mg–Ti复合材料显微组织调控与硬度增强机制

《Journal of Materials Research and Technology》：Microstructural control and hardness enhancement of bicontinuous Mg–Ti composites through Co alloying of Ti–Cu precursor

　　

液态金属脱合金（LMD）可制备具有连续Ti承载骨架的双连续Mg–Ti复合材料，但对保留Ti韧带、尤其其相组成的控制仍有限。研究人员考察了在Ti30Cu70前驱体中少量添加Co（Ti28.5Co1.5Cu70）对脱合金行为、保留Ti韧带相组成及硬度的影响。在名义Mg–1Ca（wt.%）熔体中相同条件脱合金表明，Co添加通过降低含Cu相分支密度与界面长度，简化了前驱体形貌。浸渍5 s时，Co添加前驱体脱合金深度更大；60 min后两者均形成双连续Mg–Ti复合材料，但仅Co添加体系呈现α-Ti+β-Ti双相基体。电子探针微分析显示Co优先富集于富Ti组元，X射线衍射未检出独立Co相。尽管Ti面积分数与平均Ti基体宽度下降，平均硬度仍由114±8 HV提升至185±6 HV，增幅约62%，伴随α-Ti晶粒细化、α/β相界密度增加及核平均取向差升高。结果表明，少量Co添加可协同调控脱合金深度、Ti韧带相组成与硬度。

研究背景与问题提出：双连续Mg–Ti复合材料（bicontinuous Mg–Ti composite，即两相均三维连通的金属基复合材料）由液态金属脱合金（liquid metal dealloying，LMD）制备，其中Ti构成连续承载骨架，Mg构成互补连续基体，具备低密度与高比刚度潜力。既往研究多关注韧带尺寸、连续性与Ti分数，对保留Ti韧带的相组成（如α-Ti与β-Ti比例）、晶粒结构及缺陷态缺乏直接调控手段；前驱体拓扑如何引导脱合金前沿传播亦未明晰。因此，研究人员提出以前驱体微量合金化协同控制脱合金路径与Ti韧带组织。

研究人员工作与结论：研究人员对比均质化Ti₃₀Cu₇₀与Ti_28.5Co_1.5Cu₇₀前驱体，在880℃名义Mg–1Ca熔体中LMD 60 min。结果表明，Co作为β-Ti稳定元素，不改变主相种类但引发溶质再分布，简化前驱体分支结构，加快早期脱合金前沿推进，并最终使Ti韧带由单一α-Ti转为α-Ti+β-Ti双相，在Ti分数降低情况下硬度提升约62%。意义在于：无需后处理或提高Ti含量，仅靠前驱体微量Co即可调控LMD衍生复合材料相结构与力学性能。

主要关键技术方法：研究人员采用弧熔与均质化制备两种前驱体；通过LMD在Mg–1Ca熔体中脱合金；用X射线衍射（XRD）判定相组成；用扫描电镜背散射成像与能谱（SEM–BSE/EDS）分析脱合金前沿与双连续形貌；用电子探针微分析（EPMA）定位Co分布；用电子背散射衍射（EBSD）识别α-Ti/β-Ti及晶粒尺寸；用核平均取向差（KAM）估算几何必需位错密度；用维氏显微硬度计结合原子力显微镜（AFM）表征硬度与压痕堆积行为。

研究结果：

3.1 Co添加对前驱体组织的影响：XRD与EPMA显示主相仍为Ti₂Cu₃与β-TiCu₄，无独立Co相；Co降低含Cu相分支数与单位面积界面长度，使前驱体形貌由高度分支扭折转为更线性简化拓扑。

3.2 早期脱合金行为：5 s半脱合金截面显示Co添加体系脱合金深度更大，Mg通道更定向；反应前沿处Ti富集区更细碎，说明前驱体拓扑影响熔体渗入与Cu溶解路径。

3.3 双连续结构与Ti韧带特征：60 min后两组成均形成互连Mg/Ti网络。Co添加使Ti分数由约58%降至51%、平均宽度略减，但Ti区更伸长、二维连通指数提升，α-Ti+β-Ti双相出现而未发生明显粗化。

3.4 硬度与相关组织变化：维氏硬度由114±8 HV升至185±6 HV；EBSD显示α-Ti晶粒由9.4 μm细化至5.1 μm，β-Ti平均2.9 μm，α/β相界密度最高；KAM显示Ti组元局部取向差与几何必需位错密度升高，AFM显示压痕堆积降低，表明塑性流动受限。

讨论与结论翻译：讨论指出，硬度提升不能归因于Ti含量增加，而来自双相组织、α-Ti细化、α/β界面阻碍位错、Ti网络形态更优及可能的Co固溶畸变协同作用；β-Ti稳定化未伴生Mo系研究中的严重粗化。结论：少量Co添加可同时改变前驱体拓扑、早期脱合金深度、保留Ti韧带双相构成与硬度，证明前驱体微量合金化是协同调控LMD双连续复合材料组织与性能的有效路径。

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