Ti-Al-Cr-Nb多主元合金中由B2纳米析出相引起的无延性损失强化

《Materials Science and Engineering: A》：Strength enhancement without ductility loss induced by B2 nanoprecipitates in Ti-Al-Cr-Nb multi-principal element alloys

　　

摘要

含钛轻量多主元合金（MPEAs）因其高比强度，成为航空航天和交通系统中对重量敏感的承重部件的传统钛合金的有力替代方案。本研究设计了三组具有代表性微观组织的Ti-Al-Cr-Nb多主元合金，以研究相组成与拉伸性能之间的关系。三种合金均展现出与Ti6Al4V相当的比强度。其中，Ti₆₅Al₁₃Cr₁₁Nb₁₁（at.%）表现出优异的断裂延伸率41%，实现了卓越的强度-塑性平衡。铝含量的增加促进了B2纳米析出相的形成，在不过度牺牲塑性的前提下将屈服强度提高了约15%。高应变下有序B2结构的消失表明位错与析出相的相互作用中涉及粒子剪切断裂机制。与B2纳米析出相相关的模量强化和有序强化有助于提升强度，而较低的错配度则抑制了B2/BCC界面的开裂并有助于维持塑性。相比之下，铬含量的增加导致沿晶界析出Cr-Ti-Nb C15 Laves相，引发晶间开裂并降低延伸率。

引言

轻质结构合金是现代工程应用的基础材料，因为在保持承载能力的同时降低结构重量可以提高能源效率并减少温室气体排放。钛合金作为代表性的轻质结构材料，在过去几十年中得到了广泛开发。然而，传统钛合金体系已发展到相对成熟的阶段，仍然难以同时克服强度、塑性、韧性和成本之间的相互制约关系。因此，引入新的合金设计理念十分必要。在此背景下，含钛轻量多主元合金（LW-MPEAs）因其优异的比强度、耐腐蚀性和高温性能而成为重要的研究焦点[1], [2], [3], [4], [5]。在某些方面，其性能可以超越传统钛合金。例如，Al₂₀Be₂₀Fe₁₀Si₁₅Ti₃₅合金的密度为3.91 g/cm³，硬度高达911HV[6]，而已报道的AlNbTiZr合金密度仅为5.74 g/cm³，却具有高达1950 MPa的超高屈服强度，使其比强度显著高于Ti6Al4V[7]。

然而，要实现综合力学性能的良好平衡仍然具有挑战性。在压缩性能方面，这些合金通常可与传统钛合金相媲美。滑移带形成和变形孪晶等变形机制可以显著提高压缩塑性和能量吸收能力[8]。例如，Zhi等人[9]报道Al₂NbTi₃V₂Zr_0.4合金具有1742 MPa的高屈服强度，同时延伸率仍达38.2%。类似地，Senkov等人[10]开发的NbTiVZr和NbTiV₂Zr合金的压缩屈服强度分别为1105 MPa和918 MPa，压缩应变超过50%。相比之下，在拉伸载荷下实现良好的强度-塑性平衡通常更为困难。含钛LW-MPEAs通常采用BCC结构，而高塑性并不总能得到保证。尽管BCC晶格提供了多种潜在滑移系统，但塑性变形受到1/2<111>螺型位错运动相关高晶格摩擦应力的强烈制约[11], [12], [13]。此外，局部晶格畸变和化学不均匀性会进一步增加位错滑移的阻力[14]，而脆性第二相可能降低变形协调性[15]，从而导致拉伸塑性有限。例如，单相Ti₄₅V₄₅(AlCrMo)₁₀合金的断裂应变仅为8.8%[16]，Wang等人[17]报道的Ti_1.6ZrNbAl_0.5合金断裂应变为5.7%，而粗大的TiCr₂析出相甚至会导致Ti₃Zr_1.5NbVAl_0.25合金脆化[18]。然而，当通过合适的成分设计降低晶格摩擦应力并激活多种变形途径时，在室温下仍可实现在强度与塑性之间取得良好平衡。Huang等人[19]研究了Ti_xZrVNb合金的拉伸性能，报道了超过1000 MPa的屈服强度和高达12.3%的延伸率，与锻造Ti6Al4V相当。Wang等人[17]通过调整Ti_1.6ZrNbAl_x合金中的Al含量引入B2纳米析出相，从而在不牺牲强度的情况下提高了拉伸延伸率。

含钛多主元合金通常经历涉及多种竞争相的复杂相变。除BCC基体和B2相外，还可能形成C14/C15 Laves相和L2₁相等其他相。因此，控制相组成和变形机制对于定制力学性能至关重要。在许多LW-MPEAs中，AlZrV、C14-Laves和Zr₂Al等析出相倾向于在晶界处形成，它们可能促进晶间开裂，但也可以提高高温强度，并可通过热处理加以调控[20], [21], [22], [23]。Stepanov等人[24]报道，在Al_xNbTiVZr体系中增加Al含量会促进Zr₂Al粒子的形成并降低塑性。Yurchenko等人[20]表明，在AlCrFeMnTi体系中进行退火处理可以诱导过共晶B2+C14铸态组织中析出Zr₅Al₃相，导致强度提高但脆性依然持续存在。Zhi等人[9]同样发现，在Al₂NbTi₃V₂Zr_x合金中增加Zr含量会增加脆性金属间化合物的比例并显著降低塑性。Huang等人[19]证明，Ti_xZrVNb合金中的针状V₂Zr析出相会导致应力集中并降低塑性，同时阐明了Ti对析出相形成的抑制作用。然而，LW-MPEAs中的析出相并不一定会降低塑性。Wang等人通过时效处理将α₂析出相引入AlTiVZrNb合金中，显著抑制了BCC基体的应变软化[25]。类似地，Li等人报道，正交晶系相的析出显著提高了TiZrVNbAl合金的动态压缩应变硬化率，使其动态塑性远高于相应的固溶体合金[26]。此外，(Zr_0.5Ti_0.35Nb_0.15)₉₀Al₁₀ LW-MPEA中的B2有序纳米析出相促进了位错绕过和剪切，从而提高了屈服强度和加工硬化能力[27]。在其他LW-MPEA体系中也有类似报道了B2纳米析出相对位错运动的强化作用[17], [28]。

Ti_x(AlCrNb)_100-x合金具有与Ti6Al4V相当的比强度，但延伸率更高，展现出可观的应用潜力[29]。然而，Ti-Al-Cr-Nb体系可包含多种稳定相，包括BCC、HCP、B2、C14/C15 Laves相和Ti₃Al相。这些复杂相组成对力学性能的影响及其潜在机制仍缺乏充分理解，这限制了该合金体系的进一步优化和工程应用。本研究中，通过精确的成分设计制备了三种具有代表性微观组织的Ti-Al-Cr-Nb合金，并系统地研究了相组成对拉伸性能的影响。本研究合金的高比强度和优异的室温拉伸塑性表明，其在航空航天和交通等对重量敏感的领域中作为轻质承重结构部件具有应用潜力。研究结果可能为Ti-Al-Cr-Nb合金及其他轻量多主元合金的开发提供指导。

各节概要

实验

直径为220 mm的铸锭通过三次真空自耗电极熔炼制备而成。随后将铸锭在1100°C下热挤压成直径100 mm的棒材，再通过900°C热轧获得最终直径20 mm的试样。标称成分为Ti₆₇Al₁₁Cr₁₁Nb₁₁、Ti₆₅Al₁₃Cr₁₁Nb₁₁和Ti₆₁Al₁₃Cr₁₃Nb₁₃（at. %），以下分别简称为Ti67、Ti65和Ti61。实测化学成分列于补充表S1中。密度数据

加工态微观组织

Ti-Al-Cr-Nb合金的XRD图谱如图1所示。Ti67和Ti65合金仅包含Ti-BCC衍射峰，表明其为BCC相。相比之下，Ti61合金中观察到若干额外的弱衍射峰。为了鉴定这些衍射峰，对第二相粒子进一步进行了能量色散X射线光谱（EDS）和选区电子衍射（SAED）分析，结果如图S1、图S2及表S2所示。EDS结果显示

讨论

本研究的三种Ti-Al-Cr-Nb合金Ti67、Ti65和Ti61的屈服强度分别为889、1024和1085 MPa，如图4所示。通过阿基米德法测定，Ti67、Ti65和Ti61的密度分别为4.99、4.95和5.09 g/cm³。比屈服强度（定义为屈服强度与密度之比）分别计算为178、207和213 MPa/(g·cm^-3)。比屈服强度与

结论

制备了三种具有代表性微观组织的Ti-Al-Cr-Nb合金，其比强度与Ti6Al4V相当，同时塑性得到改善。基于详细的微观组织表征分析了强化机制和变形机制。主要结论如下：

• (1)
  合金的比强度超过200 MPa·cm³·g^-1，与Ti6Al4V相当。特别是Ti65合金保持了优异的41%延伸率，实现了

CRediT作者贡献声明

任宇（Yu Ren）：调查研究，形式分析。于晓东（Xiaodong Yu）：方法论，调查研究。刘洪武（Hongwu Liu）：方法论，调查研究，资金获取，构思。李铮（Zheng Li）：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿撰写，调查研究，构思。谭承文（Chengwen Tan）：构思

利益冲突声明

作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益关系或个人关系。

数据可用性

支持本研究结果的数据可向通讯作者合理请求获取。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

本研究由中核集团（AECC）创新平台项目（CXPT-2024-020）资助。

李铮 | 刘洪武 | 于晓东 | 任宇 | 谭承文

北京理工大学材料科学与工程学院，北京，100081，中国