AI 驱动的材料革命：复合材料多尺度建模、增材制造及聚合物模型的实践创新
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一、研究背景与核心科学问题
1. 钛合金的应用需求与性能瓶颈
钛合金因其轻质高强特性，广泛应用于航空航天领域，但长期受限于三大挑战：
- 性能权衡难题：强度与延展性难以兼顾，疲劳强度与强韧性协同机制尚不明确；
- 氧元素的“双刃剑”效应：间隙氧可提升强度并调控相结构，但易在晶界或相界面偏聚，引发局部塑性失稳和裂纹萌生，导致疲劳寿命下降；
- 规模化制备瓶颈：高氧钛合金因氧偏聚和工艺复杂，仅限于实验室小尺寸样品，难以满足大构件（如压缩机叶片）工程需求。
2. 核心科学问题
如何通过微观结构调控解决氧偏聚问题，在不添加昂贵合金元素的前提下，实现高氧钛合金强度-延展性-疲劳抗性的协同优化，并开发可规模化制备的工艺路径。
二、实验设计与材料制备
1. 材料体系选择
以商用亚稳态β钛合金Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr（Ti-5553）为基体，设计两种氧含量样品：
- 对比组：0.22 wt% O（无LRO-O结构）；
- 实验组：0.36 wt% O（形成LRO-O结构）。
2. 创新制备工艺：短流程粉末冶金
突破传统局限，采用短流程粉末冶金技术成功制备长度＞6 m、直径16 mm的大尺寸棒材，具体流程如下：
- 原料混合：氢化脱氢Ti粉 + Al-Mo母合金粉 + 纯V/Cr粉；
- 真空烧结：1250℃烧结成30 kg铸锭；
- 热机械加工：
- 第一阶段：β相区开坯（630吨锻压机）；
- 第二阶段：α+β相区多道次锻造（促进LRO-O形成）+空冷；
- 第三阶段：α+β相区轧制（550吨轧机）成16 mm棒材；
- 低温退火：550℃×1 h + 空冷，消除应力并稳定LRO-O结构。
3. 表征与性能测试方法
| 测试类型 | 具体技术 / 设备 | 目的 |
|---|---|---|
| 微观结构表征 | SEM（Tescan Mira3）、TEM/STEM（FEI Tecnai G2 F20） | 观察αp、αs分布及LRO-O形态 |
| 原子尺度表征 | APT（Cameca LEAP 4000 HR）、SXRD（ESRF ID31光束线） | 分析氧分布、LRO-O尺寸与化学组成，排除新亚稳相 |
| 原位变形观测 | 原位EBSD（JEOL 6100）、原位TEM（JEOL 2100F） | 追踪位错运动、滑移模式与晶格畸变 |
| 力学性能测试 | 拉伸测试（Zwick Roell Z100TWE）、高周疲劳测试（Zwick HFP 5100） | 测定σy、σuts、δ、疲劳强度（R=0.1） |
三、核心研究结果
1. 微观结构：LRO-O结构的形成与特征
关键发现：0.36O合金中形成了局部有序氧结构（LRO-O），而0.22O合金未形成。主要差异如下：
| 特征 | 0.36O合金（实验组） | 0.22O合金（对比组） |
|---|---|---|
| 宏观微观结构 | 层状结构：αp呈链状分布，αs无序分布 | 均匀结构：αp连续分布，αs尺寸均一 |
| 氧分布 | APT显示氧均匀分散于α相，无晶界/相界偏聚 | 氧易在α/β界面偏聚 |
| LRO-O结构组成 | 包含SRO-O（0.7 nm）和MRO-O（1.6 nm） | 无SRO-O/MRO-O结构 |
| 晶体学证据 | SAED显示弥散超点阵环（SRO-O）与集中衍射斑（MRO-O） | 仅HCP尖锐衍射斑，无弥散信号 |
注：LRO-O形成源于α+β相区多道次锻造过程中氧原子自发有序化以降低系统能量。
2. 力学性能：强韧性与抗疲劳性的协同突破
0.36O合金全面优于对比组及现有高氧钛合金：
| 力学指标 | 0.36O合金 | 0.22O合金 | 现有高氧钛合金（文献值） |
|---|---|---|---|
| 屈服强度（σy） | 1758 MPa | 1641 MPa | 1200–1600 MPa |
| 抗拉强度（σuts） | 1779 MPa | 1704 MPa | 1300–1650 MPa |
| 延伸率（δ） | 7.9% | 4.8% | 3%–6% |
| 高周疲劳强度（R=0.1） | 1058.3 MPa | 900.0 MPa | 700–950 MPa |
| 疲劳寿命稳定性 | S-N曲线离散度小 | 离散度大，微裂纹密度高 | 易因氧偏聚导致早期失效 |
关键性能亮点：
- 拉伸曲线出现“双屈服现象”，表明LRO-O激活了新型位错机制；
- 断口为“韧窝+解理”混合形貌，裂纹扩展路径不规则，说明LRO-O有效阻碍裂纹萌生与扩展。
四、核心机制：LRO-O的三功能协同作用
LRO-O通过调控位错行为、滑移模式、裂纹演化，实现强度、延展性与疲劳抗性的协同提升。
1. 拉伸变形：强化与增韧的协同机制
- 低应变阶段（＜2%）：LRO-O降低<c>型位错形核能垒，促使其自发形核，打破传统依赖<c+a>分解的认知；
- 中高应变阶段（2%-5%）：促进<c+a>位错分解为<c>和<a>型，并激活交滑移与多向平面滑移，使塑性流动更均匀；
- 变形均匀性：原位EBSD显示，10%应变下几何必需位错密度达1.87×10¹⁵ m⁻²，但取向差变化小，表明无局部应力集中。
2. 疲劳变形：抗疲劳机制
- 抑制裂纹萌生：循环载荷下，LRO-O增强多向滑移，促进纳米孪晶与堆垛层错形成，克服高氧合金中孪生受抑的问题；
- 阻碍裂纹扩展：LRO-O作为微观屏障，使裂纹路径曲折，减少微裂纹密度；堆垛层错宽度交替分布进一步增加位错连接难度，阻断裂纹扩展。
五、研究意义与创新点
1. 科学创新
- 提出LRO-O结构设计理念：首次证实氧可在钛合金中形成短程至中程有序结构，从原子尺度解决氧偏聚问题；
- 揭示<c>型位错新机制：在高氧条件下观察到其自发形核，颠覆传统认知。
2. 工程价值
- 实现规模化制备：通过短流程粉末冶金获得大尺寸高氧钛合金，推动工业化应用；
- 显著降低成本：无需添加Nb、Ta等贵重元素，仅靠氧调控与工艺优化即可实现高性能；
- 具备普适推广潜力：该策略可拓展至高熵合金、镍基合金等体系，为航空关键部件提供新解决方案。
六、总结
本研究通过“微观结构设计（LRO-O）+ 工艺创新（短流程粉末冶金）”，成功突破高氧钛合金的氧偏聚与规模化两大瓶颈，实现了1758 MPa屈服强度、7.9%延伸率和1058.3 MPa疲劳强度的协同优化。研究成果不仅揭示了氧有序化的原子机制，也为高性能钛合金的设计提供了新范式，同时为航空航天轻量化、高可靠性构件的工程化制备开辟了可行路径。