日期：
2023-03-11 08:03:19
来源：材料学网收集 编辑：材料学网
导读：本文报道了Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B (TNM)合金层状组织(LM)的塑性变形机制随着层状间距(LS) (20 ~ 36 nm)的略微增大，由层状断裂(SFs)主导的过程转变为长周期层状有序(LPSO)组织介导的过程。多个LPSO条带显著增强了加工硬化响应，并触发了相变诱导塑性(TRIP)效应，在750°C下，在不影响屈服强度(YS)的情况下，其延性比层错变形LM高4倍。这一现象为在高温下开发极纳米化(LS < 55 nm)的高性能TiAl合金提供了新的思路。纳米层状TiAl合金在变形过程中产生多个纳米级LOPS条带，可以在不降低屈服强度的情况下显著提高延性。 根据经典Hall-Petch方程，层状微结构(LM)的晶粒尺寸或层层间距(LS)的减小通常会增加金属的(YS)，因为晶粒尺寸越小，晶界的浓度越高，为位错运动提供了更多的障碍。然而，当晶粒尺寸减小到临界尺寸时，塑性变形机制从位错介导的过程切换到其他机制，如晶界滑移和应变驱动的晶粒生长，使Hall-Petch关系失效。这种转变对金属的力学性能有重要影响。例如，晶界滑移显著提高了材料的塑性。 TiAl合金是一种很有前途的金属间化合物，有望在650°C - 800°C的温度范围内取代较重的镍基高温合金，用于航空航天应用。在TiAl合金的四种经典组织中，由平行α2 (Ti3 Al)和γ(TiAl)薄片组成的LM组织一直被认为是最有前途的高温工程应用组织。 因此，细化片层厚度可以获得较高的LM YS。然而，当片状间距下降到临界值时，YS被发现饱和。在纳米尺度上，位错滑移和机械孪生的激活变得困难，变形由其他机制主导。自20世纪90年代以来，在严重变形的TiAl合金中偶见9R和6H等LPSO结构，这可以被认为是纳米- LM的一种新的变形机制。研究LPSO对TiAl金属间化合物力学性能的影响对调控TiAl金属间化合物力学性能具有重要意义。然而，这是极具挑战性的，因为LS的可变性会导致各种变形机制同时运作。 在此，西北工业大学的唐斌教授团队揭示了在纳米尺度LMs(最大LS < 80 nm)的高温变形过程中，与大量LPSO带的发展相关的一种新的塑化机制。其所提出的机制意味着延性大大提高，而不影响YS，呈现前所未有的超高强度和拉伸延性的结合。通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)研究了不同材料对纳米LMs的变形机理。相关研究成果以题“Long-period stacking ordering induced ductility of nanolamellar TiAl alloy at elevated temperature”发表在Materials Research Letters上。
链接： https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2023.2173537
图1 750℃下不同LS下LMs的拉伸性能和断口形貌: a)拉伸真实应变-应力曲线;(b)设计的具有LM3结构的TNM合金与其他高温合金(包括TiAl合金、Ni基、Co基和TMW高温合金)的强度和延展性比较。(c)加工硬化率曲线。(d)和(e) LM1和LM3的裂缝形态。 (a)和(b)叠加在两个LMs BC图像上的欧拉方向图，其中所有结果的步长均为0.15µm;(b)中欧拉角度色标表明，相似的颜色表示相似的方向;(c)和(d) LM1和LM3的BF-TEM图像，插图显示SAED模式，阐述了α2 /γ薄片和γ孪晶对称之间的Blackburn取向关系。 图3 LM1的变形机制:(a) BF-TEM图像显示拉伸过程中没有位错和孪晶;(b) LM1变形的HRTEM图像;(c) (b) 区域 a和(d)区域b的高倍HRTEM图像。 (a) BF-TEM图像显示垂直于层状界面的细束;(b) (a) a区HRTEM图像;(c) b区高倍HRTEM图像显示9R叠加序列;(d) (b)的FFT模式;(e) BF-TEM图像显示HT3 -ed合金显微组织变形，无位错和孪晶;(f) HRTEM显示了多个纳米级的LPSO带;(g) Area-B的高倍HRTEM图像显示了6H-LPSO叠加序列;(h) FFT图显示6H-LPSO衍射斑点。 值得注意的是，LS的增加使变形机制由SFs主导过程转变为众多LPSO能带介导的过程，表明界面部分位错更容易沿LM3 滑动，使得LM3 的YS低于LM1 。然而，在本研究中却发现了相反的趋势，原因如下: 1.大面积LPSO带的形成是一种高效的发展过程，最重要的是，延长应变硬化以限制变形的局部化。优异的应变硬化能力提高了强度，延缓了颈缩的发生，这有助于产生较大的伸长率。此外，垂直于界面的LPSO结构的形成也可以缓解界面处的部分累积应力，有效地防止了材料的过早失效。 2.LPSOs的形成是一个局部相变过程。大量的LPSO带引起明显的TRIP效应，可以同时提高强度和延性。 综上所述，唐斌教授团队的工作表明，当LS降低到纳米尺度时，塑性变形过程中位错滑移和机械孪生受到限制，塑性变形通过界面部分位错沿片层界面滑动进行。LM的LS从~ 20 ~ ~ 36 nm的轻微增加分别引起SFs-和大量LPSOs -容纳的变形。大面积LPSO结构的形成触发了TRIP效应，并导致了显著的应变硬化率，与750°C的SFs变形的细LM1 相比，塑性显著增强，屈服强度不降低。这些发现为开发具有综合高温力学性能的先进TiAl合金提供了思路。 本文来自材料学网微信公众号，欢迎友好转载，转载请联系后台，未经许可，谢绝转载