【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】金屬材料通常以原子排列長程有序的晶態(tài)方式存在，但在快速凝固等制備條件下，非晶態(tài)也是金屬材料的重要存在方式。具有“非晶-晶體”雙相結(jié)構(gòu)的非晶合金復(fù)合材料可以兼具非晶態(tài)和晶態(tài)金屬材料的性能特征，因此受到廣泛關(guān)注。其中，Ti基非晶合金內(nèi)生β-Ti復(fù)合材料因具有較大的非晶形成臨界尺寸、出色的微觀組織可控性、多樣的微觀變形機(jī)制、優(yōu)異的力學(xué)性能和物理化學(xué)特性，在航空航天、軍事裝備、石油化工、機(jī)器人、新能源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。過去十余年，中國科學(xué)院金屬研究所科研人員圍繞Ti基非晶合金內(nèi)生β-Ti復(fù)合材料開展了深入系統(tǒng)的研究，取得的重要進(jìn)展主要包括：
 

　　1.非晶合金復(fù)合材料的形成機(jī)理研究。建立了非晶內(nèi)生β-Ti復(fù)合材料的“兩相準(zhǔn)平衡凝固理論”，為調(diào)控這類復(fù)合材料的微觀組織提供了理論基礎(chǔ) [Sci. Rep. 6 (2016) 19235]；發(fā)現(xiàn)了特定亞穩(wěn)β-Ti合金的晶粒內(nèi)部出現(xiàn)非晶相，提出了“馬氏體非晶化”固態(tài)相變新機(jī)制，研發(fā)了具有晶內(nèi)非晶相的新型非晶合金復(fù)合材料 [Nat. Commun. 9 (2018) 506]；發(fā)現(xiàn)了凝固過程中過冷熔體對(duì)內(nèi)生亞穩(wěn)β-Ti晶體的負(fù)熵穩(wěn)定效應(yīng)，并揭示了其對(duì)復(fù)合材料中相結(jié)構(gòu)演化的影響 [Scripta Mater. 125 (2016) 19]；研究了連續(xù)升溫過程中“非晶-晶體”雙相復(fù)合材料的形成過程，并建立了連續(xù)升溫轉(zhuǎn)變相圖 [Scripta Mater. 254 (2025) 116339]。
 

　　2.非晶合金復(fù)合材料的微觀組織調(diào)控研究。基于“兩相準(zhǔn)平衡凝固理論”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)生β-Ti晶體的尺寸大小、相穩(wěn)定性、體積分?jǐn)?shù)的調(diào)控，并明晰了微觀組織對(duì)室溫拉伸性能的影響規(guī)律 [Acta Mater. 168 (2019) 24]；揭示了非晶合金復(fù)合材料屈服強(qiáng)度對(duì)內(nèi)生β-Ti相亞穩(wěn)定性的敏感性，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)生β-Ti相亞穩(wěn)定性的精細(xì)調(diào)控 [Scripta Mater. 173 (2019) 11]；通過“室溫-低溫”循環(huán)熱處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料中非晶基體能量狀態(tài)的調(diào)控，發(fā)現(xiàn)了循環(huán)熱處理次數(shù)對(duì)非晶基體能量狀態(tài)的非單調(diào)性影響規(guī)律，并揭示了非晶基體能量狀態(tài)對(duì)復(fù)合材料的韌性有顯著影響 [J. Mater. Sci. Technol. 140 (2023) 210; Scripta Mater. 228 (2023) 115340]。
 

　　3.“非晶-晶體”雙相協(xié)同變形機(jī)制研究。揭示了內(nèi)生亞穩(wěn)β-Ti晶體中不全位錯(cuò)滑動(dòng)導(dǎo)致出現(xiàn)ω-Ti帶，晶體中ω-Ti帶可與非晶剪切帶連貫地傳遞剪切應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)了“非晶-晶體”協(xié)同剪切變形，該發(fā)現(xiàn)不僅豐富了材料塑性變形機(jī)制，也為開發(fā)兼具拉伸塑性和剪切破壞方式的高釋能非晶合金復(fù)合材料提供了理論基礎(chǔ) [Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 055501]；發(fā)現(xiàn)了非晶合金復(fù)合材料中晶體的不同變形機(jī)制可以顯著改變非晶剪切帶的性質(zhì)與行為，在粗大馬氏體板條作用下，非晶剪切帶厚度不斷增加，不再熟化，并在擴(kuò)展中傾向分叉，提出了“剪切帶鈍化”新概念，為通過剪切帶性質(zhì)調(diào)控非晶合金復(fù)合材料的性能奠定了理論基礎(chǔ) [Acta Mater. 241 (2022) 118422]。
 

　　4.非晶合金復(fù)合材料的性能優(yōu)化研究。基于非晶相和形狀記憶β-Ti相不同的低溫性質(zhì)，開發(fā)了隨溫度降低(室溫至143 K)，拉伸強(qiáng)度與塑性同時(shí)提高的非晶合金復(fù)合材料 [Acta Mater. 222 (2022) 117444]；對(duì)比了在I型和II型加載方式下，非晶合金復(fù)合材料的斷裂韌性和破壞過程，為進(jìn)一步提高非晶合金復(fù)合材料的斷裂韌性奠定了基礎(chǔ) [Acta Mater. 213 (2021) 116963]；成功克服了非晶合金與非晶合金復(fù)合材料的低溫脆性，開發(fā)了低溫下(77 K-100 K)具有目前報(bào)道最高沖擊韌性的非晶合金復(fù)合材料 [Acta Mater. 229 (2022) 117827]。
 

　　中國科學(xué)院金屬研究所前沿材料研究部張龍研究員與東北大學(xué)張海峰教授合作，系統(tǒng)總結(jié)了近年來非晶合金復(fù)合材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展，以“Ti-based metallic glass composites containing β-Ti dendrites”為標(biāo)題的長篇綜述論文于近日發(fā)表在Progress in Materials Science上。該工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目、中科院青促會(huì)會(huì)員項(xiàng)目、遼寧省優(yōu)青項(xiàng)目等資助。
 

　　全文鏈接
 

圖1. 非晶合金復(fù)合材料的“兩相準(zhǔn)平衡凝固理論”
 

圖2. 對(duì)非晶合金復(fù)合材料中內(nèi)生β-Ti晶體尺寸大小的調(diào)控
 

圖3. 對(duì)非晶合金復(fù)合材料中內(nèi)生β-Ti相穩(wěn)定性的調(diào)控及其對(duì)宏觀拉伸性能的影響
 

圖4. 晶體馬氏體相變作用下非晶剪切帶的鈍化效應(yīng)