導讀：過量的間隙氧（O）污染通常會導致延展性急劇下降，仍然是鈦（Ti）及其合金面臨的長期挑戰(zhàn)。本文通過簡單的粉末冶金（PM）無壓燒結(jié)方法添加少量CaC2除氧劑來解決這一關(guān)鍵問題。研究發(fā)現(xiàn)，在PM燒結(jié)過程中，氫化物-脫氫（HDH）Ti粉末的表面氧化層在700°C和800°C之間開始溶解到Ti基體中。CaC2的摻入可以在其活性溶解之前與表面氧化層（617-676°C）反應，形成微米級的TiC和納米級的CaTiO3顆粒，顯著細化α-Ti晶粒，并與Ti基體形成清潔且結(jié)合良好的界面。因此，CaC2獨特的除氧作用使Ti合金具有高強度和優(yōu)異的延展性。即使初始氧含量較高（～4000ppm），Ti-0.4wt.%CaC2樣品仍表現(xiàn)出621±25MPa的高極限拉伸強度和29.3±2.6%的優(yōu)異伸長率。與燒結(jié)商業(yè)純鈦（CP-Ti）性能相比，這些值分別增加了17.6%和301.4%，遠遠超過了ASTM標準B381對于具有相同O含量的4級鍛造鈦合金（550MPa和15%）。這項工作提供了一種從更實惠的鈦粉中開發(fā)高強度和高延展性鈦材料的新方法。

鈦及其合金因其低密度、高強度和優(yōu)異的耐腐蝕性而成為現(xiàn)代航空航天和化學加工行業(yè)的主力軍。然而，由于其材料利用率低和制造成本高，鈦在傳統(tǒng)方法中的使用受到限制。通常，鍛造鈦零件的購買飛行比通常大于20：1，這意味著95%的材料在鑄錠加工和加工過程中被浪費。以壓制燒結(jié)、金屬注射成型（MIM）和熱等靜壓（HIP）為代表的粉末冶金技術(shù)為這些具有細晶粒尺寸和均勻微觀結(jié)構(gòu)的合金提供了一種有前途的具有成本效益的近凈成形制造技術(shù)。然而，間隙氧（O）污染是PMTi合金的一個關(guān)鍵問題。根據(jù)Ti-O二元相圖，O與Ti具有很高的化學親和力，其在六方α-Ti中的溶解度極限高達～33at.%（～14wt.%）。溶質(zhì)O原子更愿意占據(jù)α-Ti晶格的八面體空位，增加晶格參數(shù)，導致體積膨脹～0.0013nm3/at.%O。此外，O原子可以與位錯的靜水應力場和剪切應力場相互作用，以阻止螺旋位錯的運動，導致延性急劇喪失。例如，據(jù)報道，PMTi-6Al-4V合金的閾值O含量為～0.33%，超過該閾值，室溫拉伸伸長率從>10%降低到<5%，O含量～0.35%。ASTM標準B988規(guī)定PMTi-6Al-4V合金的*高O含量為0.3%。那么，如何避免這種氧脆化效應總是具有重要意義。

*近，激光增材制造（AM）在制造高強度、高延展性的高OTi材料方面取得了進展。由于激光AM中的快速加熱和冷卻速率（103-108K/s），打印的高OTi零件表現(xiàn)出獨特的微觀結(jié)構(gòu)特征，并突破了強度-韌性折衷困境。然而，如果開發(fā)出一種有效的方法來使用高OTi粉末，傳統(tǒng)PM仍然是一種具有成本效益的過程。因此，探索氧清除輔助的傳統(tǒng)TiPM至關(guān)重要。這種氧清除也可以促進用回收或高氧粉末進行鈦合金的AM。*終PMTi部件中的O原子含量主要由起始粉末決定，其中O原子主要以Ti粉末表面氧化層和Ti晶格中O原子的形式存在。隨后，氧化層會在高溫下作為固體溶質(zhì)溶解到鈦基體中，從而降低延展性。一旦O原子溶解到鈦基體中，在后續(xù)加工步驟中去除它們將變得更加困難。目前已成功引入含稀土（RE）化合物，如氫化物（YH2、LaH2）、硼化物（LaB6、NdB6[26]）或硅化物（CeSi2），以清除燒結(jié)過程中的雜質(zhì)O。

在一定程度上，拉伸延展性會得到增強。然而，含RE的化合物并不總是很容易獲得，有些還非常昂貴，如Sc、Nd和Dy；因此，開發(fā)一種具有成本效益的清除劑非常重要。鈣（Ca）是為數(shù)不多的此類元素之一。有研究人員證實，通過低溫Ca熔鹽脫氧工藝，使用Ca可以將鈦粉中的O含量從20,000ppm的高水平降至<1000ppm。此外，他們還在氫氣（H）氣氛中使用Ca作為脫氧劑去除鈦粉中的O。H的存在顯著提高了Ca脫氧的動力學速率，并將750°C時的脫氧極限降至<10ppm。Oh等人也利用Ca蒸汽開發(fā)了一種非接觸脫氧工藝，將O含量從2500ppm降至920ppm。作為一種有效的氧清除劑，Ca*近被用于去除Ti粉末中的O。然而，Ca對燒結(jié)鈦材料中O的清除效果以及由此產(chǎn)生的特性仍是未知數(shù)。

在這方面，北京科技大學在探索鈣化合物（CaC2）對使用商用HDHTi粉末的PMTi合金的氧清除行為、微觀結(jié)構(gòu)和機械性能的影響。使用CaC2可以清除O，形成納米尺寸的Ca氧化物。此外，原位TiC粒子是一種有益的副產(chǎn)品。由于具有高彈性模量、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以及與鈦基體相似的熱膨脹系數(shù)，它已被視為*有前途的增強材料之一。我們的工作實現(xiàn)了PMTi合金的氧清除效應，并為設(shè)計具有多尺度顆粒增強功能的低成本高性能材料提供了啟示。

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