西南交大徐轶团队《JAC》：微量稀土Y同时提高铸造钛合金强塑性

Ti6Al4V是最受欢迎的经典钛合金之一。由于其优良的性能如高强度和良好的生物相容性，它被广泛用于航空航天等诸多领域。它的微观结构是由Al稳定的低温密排六方（hcp）α相和V稳定的高温体心立方（bcc）β相组成的。

然而，强度-延展性权衡仍然困扰着Ti6Al4V的发展。通常认为，杂质元素特别是氧的引入和晶粒的粗化是造成这种权衡的主要原因，尤其是氧含量的增加会使铸造的钛合金变脆。由于缺乏有效的商业脱氧工艺，高强度和高韧性钛合金的获取是极其困难的。

为了获得高强度和高韧性的钛合金，人们开发了许多方法来克服这个问题。一种策略是改进和发展制备方法，但是这种方法不能在成本和性能中得到很好的平衡。另一种策略是在简单的制备过程中通过引入特殊元素来解决这一问题，例如对氧具有强亲和力的稀土元素。

基于此，西南交通大学徐轶团队通过设置多个对比组，系统地研究了Y含量对铸态Ti6Al4V机械性能的影响。相关论文以题为“Trace Y for as-cast Ti6Al4V to simultaneous enhance strength-ductility”发表在Journal of Alloys and Compounds（JCR一区，TOP期刊，影响因子6.371）。该论文第一作者为2021级博士研究生朱星桦，论文通讯作者为西南交通大学徐轶特聘研究员。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169757

图1. Ti6Al4V-xY（x=0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7）的SEM。(a1 )-(e1)分别是Ti6Al4V-xY(x=0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7)的SEM

图2. Ti6Al4V-xY（x=0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7）的SEM和EDS。(a)-(e)分别是Ti6Al4V-xY（x=0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7）的SEM和EDS

图3. Ti6Al4V和Ti6Al4V0.3Y的TEM。(a）和（c）分别是Ti6Al4V和Ti6Al4V0.3Y的形态。(b)和(d)分别是两相界面、沉淀相和基体的原子排列。(c)是Y2O3的形貌。(e1)、(e2)和(e3)分别是Y2O3、β-Ti和α-Ti的选区电子衍射（SAED）图。

图4. Ti6Al4V-xY（x=0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7）的拉伸应力-应变曲线和断裂形态与元素组成。(a)是拉伸应力-应变曲线。(b)-(f)分别是Ti6Al4V-xY（x=0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7）的拉伸断裂形态。(g)-(k)分别是Ti6Al4V-xY（x=0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7）的拉伸断裂能谱。

综上所述，作者系统地研究了Y含量对铸态Ti6Al4V机械性能的影响。结果表明，随着Y含量的增加，合金的机械性能先增加后降低，其中，含0.1%Y的合金具有最高的伸长率，而含0.3%Y的合金具有最高的抗拉强度，同时伸长率没有明显降低。这是因为微量的Y有助于基体的脱氧，同时产物Y2O3可以细化晶粒，但是过多的氧化钇颗粒将会导致尖端的应力集中，增加断裂的概率，因此需要严格控制Y的添加量。这项工作为Y增强Ti6Al4V的机械性能提供了丰富的数据和独特的见解。

作者简介：徐轶，博士，特聘研究员，西南交通大学材料学院金属材料系主任，四川省钒钛钢铁产业协会副秘书长，主要研究方向：结构功能一体化金属材料。

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