非晶合金复合材料研究取得新进展
非晶合金复合材料研究取得新进展
非晶合金复合材料因其独特的性能和广泛的应用前景而备受关注。中国科学院金属研究所的研究团队在Ti基非晶合金复合材料领域取得了重要进展，从形成机理、微观组织调控到性能优化等方面进行了系统研究。本文将为您详细介绍这些创新成果及其科学意义。
金属材料通常以原子排列长程有序的晶态方式存在，但在快速凝固等制备条件下，非晶态也是金属材料的重要存在方式。具有“非晶-晶体”双相结构的非晶合金复合材料可以兼具非晶态和晶态金属材料的性能特征，因此受到广泛关注。其中，Ti基非晶合金内生β-Ti复合材料因具有较大的非晶形成临界尺寸、出色的微观组织可控性、多样的微观变形机制、优异的力学性能和物理化学特性，在航空航天、军事装备、石油化工、机器人、新能源等领域具有广阔的应用前景。
过去十余年，中国科学院金属研究所科研人员围绕Ti基非晶合金内生β-Ti复合材料开展了深入系统的研究，取得的重要进展主要包括：
非晶合金复合材料的形成机理研究
建立了非晶内生β-Ti复合材料的“两相准平衡凝固理论”，为调控这类复合材料的微观组织提供了理论基础 [Sci. Rep.6 (2016) 19235]；发现了特定亚稳β-Ti合金的晶粒内部出现非晶相，提出了“马氏体非晶化”固态相变新机制，研发了具有晶内非晶相的新型非晶合金复合材料 [Nat. Commun.9 (2018) 506]；发现了凝固过程中过冷熔体对内生亚稳β-Ti晶体的负熵稳定效应，并揭示了其对复合材料中相结构演化的影响 [Scripta Mater. 125 (2016) 19]；研究了连续升温过程中“非晶-晶体”双相复合材料的形成过程，并建立了连续升温转变相图[Scripta Mater.254 (2025) 116339]。
非晶合金复合材料的微观组织调控研究
基于“两相准平衡凝固理论”，实现了对内生β-Ti晶体的尺寸大小、相稳定性、体积分数的调控，并明晰了微观组织对室温拉伸性能的影响规律 [Acta Mater.168 (2019) 24]；揭示了非晶合金复合材料屈服强度对内生β-Ti相亚稳定性的敏感性，并实现了对内生β-Ti相亚稳定性的精细调控 [Scripta Mater.173 (2019) 11]；通过“室温-低温”循环热处理，实现了对复合材料中非晶基体能量状态的调控，发现了循环热处理次数对非晶基体能量状态的非单调性影响规律，并揭示了非晶基体能量状态对复合材料的韧性有显著影响 [J. Mater. Sci. Technol.140 (2023) 210; Scripta Mater.228 (2023) 115340]。
“非晶-晶体”双相协同变形机制研究
揭示了内生亚稳β-Ti晶体中不全位错滑动导致出现ω-Ti带，晶体中ω-Ti带可与非晶剪切带连贯地传递剪切应变，实现了“非晶-晶体”协同剪切变形，该发现不仅丰富了材料塑性变形机制，也为开发兼具拉伸塑性和剪切破坏方式的高释能非晶合金复合材料提供了理论基础 [Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 055501]；发现了非晶合金复合材料中晶体的不同变形机制可以显著改变非晶剪切带的性质与行为，在粗大马氏体板条作用下，非晶剪切带厚度不断增加，不再熟化，并在扩展中倾向分叉，提出了“剪切带钝化”新概念，为通过剪切带性质调控非晶合金复合材料的性能奠定了理论基础 [Acta Mater.241 (2022) 118422]。
非晶合金复合材料的性能优化研究
基于非晶相和形状记忆β-Ti相不同的低温性质，开发了随温度降低（室温至143 K），拉伸强度与塑性同时提高的非晶合金复合材料 [Acta Mater.222 (2022) 117444]；对比了在I型和II型加载方式下，非晶合金复合材料的断裂韧性和破坏过程，为进一步提高非晶合金复合材料的断裂韧性奠定了基础 [Acta Mater. 213 (2021) 116963]；成功克服了非晶合金与非晶合金复合材料的低温脆性，开发了低温下（77 K-100 K）具有目前报道最高冲击韧性的非晶合金复合材料 [Acta Mater.229 (2022) 117827]。
中国科学院金属研究所前沿材料研究部张龙研究员与东北大学张海峰教授合作，系统总结了近年来非晶合金复合材料领域的研究进展，以“Ti-based metallic glass composites containing β-Ti dendrites”为标题的长篇综述论文于近日发表在Progress in Materials Science上。该工作得到了国家自然科学基金项目、重点研发计划青年科学家项目、中科院青促会会员项目、辽宁省优青项目等资助。
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