Прочный и пластичный титан.

Nature, том 618, страницы 63–68 (2023 г.) Процитировать эту статью

8379 Доступов

166 Альтметрика

Подробности о метриках

Титановые сплавы — это современные легкие материалы, незаменимые во многих критически важных областях применения1,2. Основой титановой промышленности являются титановые сплавы α–β, в состав которых входят легирующие добавки, стабилизирующие α- и β-фазы3,4,5. Наша работа сосредоточена на использовании двух самых мощных стабилизирующих элементов и упрочнителей для титановых сплавов α–β: кислорода и железа1,2,3,4,5, которые широко распространены. Однако охрупчивающее действие кислорода6,7, описываемое в просторечии как «от криптонита к титану»8, и микросегрегация железа9 препятствовали их сочетанию для разработки прочных и пластичных α–β сплавов титан–кислород–железо. Здесь мы объединяем проектирование сплавов с разработкой процесса аддитивного производства (АП), чтобы продемонстрировать серию композиций титан-кислород-железо, которые демонстрируют выдающиеся свойства на растяжение. Мы объясняем происхождение этих свойств на атомном уровне, используя различные методы характеристики. Обилие кислорода и железа, а также простота процесса производства сетчатой ​​или почти сетчатой ​​формы с помощью АМ делают эти α-β-сплавы титан-кислород-железо привлекательными для широкого спектра применений. Кроме того, они открывают перспективы для промышленного использования некондиционного губчатого титана или губчатого титана-кислорода-железа10,11, которые в настоящее время являются промышленными отходами. Экономический и экологический потенциал сокращения выбросов углекислого газа при производстве энергоемкого губчатого титана12 значителен.

Большинство промышленных титановых (Ti) сплавов обладают микроструктурой, основанной на двух основных фазах Ti: гексагональной плотноупакованной (HCP) α и объемноцентрированной кубической (BCC) β. Сплавы α–β Ti, представленные Ti–6Al–4V (весовой процент, используемый повсюду, если не указано иное), являются основой титановой промышленности1,2. Они могут образовывать микроструктуры, состоящие из 2,3,4,5 (1) пластинчатых α–β с ориентационным соотношением, близким к Бюргерсу, (2) равноосных α и β или (3) глобулярных α среди ламелей α–β. Каждая из этих микроструктур имеет свои преимущества и недостатки, что делает сплавы α–β Ti универсальными для различных промышленных применений1,2,3,4,5. Из них обычно применяется пластинчатая α–β-микроструктура.

Сплавы α–β Ti получают путем легирования Ti стабилизаторами α- и β-фазы. Стабилизаторы α-фазы ограничены Al, N, O, C, Ga и Ge (ссылки 3,4,5), из которых N и C являются строго контролируемыми примесями (0,05% N, 0,08% C)2,3 , тогда как Ga и Ge коммерчески нежизнеспособны. Следовательно, как и Al, O является единственным практическим вариантом. В дополнительной таблице 1 перечислены основные сплавы α-β Ti, в которых Al используется в качестве стабилизатора α-фазы. Примечательно, что O затмевает Al в (1) усилении α-фазы примерно в 20 раз (рассчитано по данным, приведенным в таблице 4 на стр. 16 ссылки 1), (2) стабилизации α-фазы примерно в 20 раз. около 10 (на основе формулы эквивалента алюминия, приведенной на стр. 380 ссылки 5) и (3) ограничение роста зерен предшествующего β во время затвердевания более чем в 40 раз (10,8 против 0,26)13. Однако эти свойства O по-прежнему недостаточно используются при разработке сплавов α–β Ti.

Проблема с O как основным стабилизатором α-фазы в Ti заключается в его охрупчивающем эффекте из-за его сильного взаимодействия с дислокациями во время деформации6,7. Кроме того, O изменяет фазовые равновесия, способствуя образованию охрупчивающей α2-фазы (Ti3Al)14. Эти ограничения привели к следующему эмпирическому правилу проектирования промышленных титановых сплавов: Al + 10(O + C + 2N) + 1/3Sn + 1/6Zr < 9,0% (ссылка 5). Для Ti–6Al–4V это правило проектирования требует менее 0,12% O (ссылка 15) при 0,05% N и 0,08% C, которое было смягчено до 0,13% O для марки 23 Ti–6Al–4V и 0,20% O для Ti–6Al–4V. Марка 5 Ti–6Al–4V. Следуя этому правилу, более низкое содержание Al позволяет получить более высокое содержание O. Действительно, новейший промышленный сплав α–β Ti ATI 425 (Ti–4,5Al–3V–1,8Fe–0,3O)16 допускает максимум 0,3% O из-за более низкого содержания Al, для которого приведенное выше эмпирическое правило допускает максимум 0,31% O. Если Al не включен, это правило допускает максимум 0,72% O.