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本文1254字，阅读约需4分钟

摘要：对双相钛合金施加“高密度脉冲电流（HDPEC）处理”，瞬间诱发非平衡原子扩散和相变，实现了组织的细微化与多相化，成功使材料的韧性最高提升了30%，同时成功将能耗削减了50%以上。

关键词：钛合金、电子风力、高密度脉冲电流、相变、强韧化

要点

一种采用脉冲电流的高速、低能耗材料处理方法
通过非平衡控制晶体组织^※¹，大幅提升钛合金韧性^※²
开创利用电流非热效应^※3的新材料设计策略

概要

研究团队开发出一种通过仅数毫秒的瞬时电流处理使钛合金大幅强韧化的新方法。

在本研究中，对双相钛合金施加“高密度脉冲电流（HDPEC）处理”，瞬间诱发非平衡原子扩散和相变，实现了组织的细微化与多相化。结果，成功使材料的韧性最高提升了30%。与传统热处理不同，该方法的特点是利用电流中流动的电子直接推动原子的“电子风力”（非热效应）。由此，成功将能耗削减了50%以上。

该成果有望作为高性能钛材料的创新节能加工工艺，应用于航空结构材料、人工关节等领域。

背景

钛合金具有高强度和出色的耐腐蚀性，被广泛应用于飞机部件和人工关节等领域。然而，以往为获得适合不同用途的材料特性而进行的热处理存在处理时间长、能耗大的问题。

研究内容

本研究着眼于高密度脉冲电流对钛合金原子排列产生的冲击力，即所谓的电子风力（图1）。这种电子风力可引发不以加热为主因的非热性原子扩散，促进多相结构的形成。通过精密控制各种电流条件，对Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb合金的晶体组织及力学性能进行了系统性评价。

图1 高密度脉冲电流引起的“电子风力”（非热效应）驱动原子，在短时间内引发相变和组织细微化的示意图（与传统热处理的对比）

成果

在电流密度不同的条件下，非热效应促进了β相稳定化元素（V、Nb）的选择性扩散，形成了新的细微多相结构（图2）。具体而言，在β相内部生成了纳米级的马氏体相，有助于提高强度；同时，在β相周围形成的层状结构也提升了延展性。这是在传统热处理中未曾观察到的特征。结果，变形机制发生改变，应力集中得到缓解（图3），两种合金均表现出显著的韧性提升：

Ti-6Al-4V 合金：约 30%
Ti-6Al-7Nb 合金：约 26%。

展开

本成果不仅限于钛材料的创新加工工艺，作为替代传统热处理的节能型新式金属材料组织控制方法，有望在未来应用于多种金属材料。

图2 通过HDPEC处理形成的“异质细微结构（细微化+多相化）”示例（处理前后的组织对比）

图3 电流处理导致的变形机制变化（应力集中得到缓解，抗裂性＝韧性提高）

术语解释

※1. 非平衡性控制

在材料到达热力学平衡状态前的短时间内，通过有意地诱发原子扩散和相变来控制其组织结构的方法。

※2. 韧性

指材料在受到外力时，在发生分裂或破碎前能够吸收多少能量并抵抗变形的性质。是与强度和延展性都相关的重要的力学特性。

※3. 非热效应

不同于电流加热（焦耳热），是指电子流动本身对原子施加作用力而产生的效应。代表性例子如电子与原子的力学相互作用、电子风力。

※4. 高密度脉冲电流

在短时间内通入高密度电流，在金属材料中引入电子风力的处理技术。

※5. 多相结构

材料内部不同的晶体相混合存在的状态，有助于提高强度和韧性。

https://www.kumamoto-u.ac.jp/daigakujouhou/kouhou/pressrelease/wgt3jw/release260415.pdf

https://rdcu.be/fdb9w

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