登顶《Science》正刊封面！2GPa超高强度塑性纳米孪晶钛

编辑推荐：在纯Ti中通过低温力学过程，构建多层次纳米孪晶结构，显著提高了其抗拉强度和延展性。纯钛达到了接近2GPa的极限拉伸强度和77K下接近100%的真实失效应变。多尺度孪晶结构的热稳定性可达873K，这高于极端环境中许多应用的临界温度。与力学性能相似、价格昂贵的高熵合金相比，纳米孪晶Ti中不含其他合金元素，更为经济。

纳米结构金属通常是高强的，因为内部边界的超高密度限制了位错的平均自由路径。通常，由于它们的加工硬化能力下降，它们也更脆。而具有镜像对称相干界面的纳米孪晶材料可以克服这种固有的权衡。

在此，来自美国加州大学伯克利分校、北京航空航天大学等单位的研究者，展示了一种块体纳米结构方法，在六方封闭、无溶质、粗晶钛(Ti)中产生多尺度分级孪晶结构显著提高了抗拉强度和延展性。相关论文以题为“Cryoforged nanotwinned titanium with ultrahigh strength and ductility”发表在Science上。与此同时，这篇文章登上了同期《Science》的封面。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe7252

钛(Ti)，在所有金属元素中具有最高的强度重量比，除了其优异的耐腐蚀性能，使其成为各种重量和环境敏感的承重应用的理想材料。纯Ti的强度是中等的。硬化Ti的一种方法是将其与其他元素如氧(O)、铝(Al)和钒(V)合金化，形成固溶体或二次相。这些合金的强度得到了提高，但几乎总是以塑性为代价。

强化结构金属的另一种途径，是通过热机械加工来调整晶粒尺寸。具体地说，将晶粒尺寸减小到亚微米和纳米范围会显著提高屈服强度，而当引入某些类型的界面时，可以保持延展性。在这方面，过去二十年见证了纳米孪晶金属的成功发展。大量的面心立方(fcc)金属研究表明，孪晶可以在不牺牲抗断裂能力的情况下大大提高强度。这一观察结果归因于孪晶边界的相干性质，根据其特性，孪晶边界既能阻挡入射位错，也能传递入射位错，从而分别提供强度和延展性。通过调整孪晶片的间距和取向，可以进一步优化其力学性能。具有梯度结构的纳米孪晶铜，由于具有额外的加工硬化能力而增强了强度，而高度取向的纳米孪晶铜由于具有明显的位错路径而增强了疲劳抗力。孪晶界也代表在高温下迁移率大大降低的低能晶界。这种特性使它们在热上比随机的高角度晶界更稳定。

在这方面，纳米级孪晶是结构金属的最佳特征。然而，以一种成本效益高的方式将这些特性工程到材料中并非易事。传统上，这可以通过自下而上的方法，如电沉积和溅射，或自上而下的方法，如严重的塑性变形来实现。然而，这些方法几乎都已成功地应用于催化裂化金属，主要是铜和钢，而推广应用于六方紧密堆积(hcp)金属则面临着挑战。这一挑战包括：在不产生不利残余应力的情况下，在块状样品中创建纳米孪晶结构的一般方法。

在此，研究者证明，在纯Ti(名义成分重量百分比:99.95% Ti和0.05% O)中，通过低温力学过程诱导的大量力学孪生，可以构建层次纳米孪晶结构。选择超低含量的O(低于工业纯级Ti)来促进孪晶倾向，因为O抑制Ti中的孪晶。将长方体试样在液氮中沿三个主轴重复锻造(图1A)。研究者得到了一种块体纳米结构方法，在六方封闭、无溶质、粗晶钛(Ti)中产生多尺度、分级孪晶结构，显著提高了抗拉强度和延展性。纯钛达到了接近2GPa的极限拉伸强度和77K下接近100%的真实失效应变。多尺度孪晶结构的热稳定性可达873开尔文，这高于极端环境中许多应用的临界温度。该研究结果证明了在不涉及奇异和通常昂贵的合金元素的情况下，在Ti中实现了吸引人的力学性能的实际路线。

图1 低温力学制备的纳米孪晶Ti的层次结构。

图2 纳米级Ti的力学性能。

图3 纳米孪晶钛的微观结构演变。

图4 纳米孪晶钛的热稳定性。

综上所述，纳米孪晶Ti的热稳定性使其适用于高达873 K的温度，这与许多工业发电厂的应用程序相媲美，适用于燃气涡轮发动机的较低温度区域。此外，与力学性能相似、价格昂贵的高熵合金相比，纳米孪晶Ti中不含其他合金元素。这使得它成为一种“更简单”的合金，经济上很有吸引力，而且易于回收。所有这些有利因素，使纳米孪晶钛不仅在科学上有趣，而且是一种潜在的工业产品。（文：水生）