文丨胖仔研究社
編輯丨胖仔研究社
«——【·前言 ·】——»
钛合金因其強大的力學性能在低溫工程領域得到廣泛應用，研究人員通過對合金成分進行優化和适當的熱機械處理，解決了钛合金的熱膨脹問題。
這種處理得到的材料在100到623開爾文溫度範圍内具有極低的線性熱膨脹系數。通過冷軋和熱處理，可以調節钛合金的熱膨脹性能，這種特殊的合金有可能被開發用于制造低溫應用中關鍵部件的可控零熱膨脹材料。
固體實體、低溫工程、航空航天和其他精密器件中，由于原子熱振動引起的熱膨脹現象是一個非常重要的特性，由于熱膨脹和熱應力引起的可靠性問題，引起了廣泛關注并仍然需要解決，先進的應用需要理想的材料，這些材料不僅具有出色的力學性能，還具有可調的熱膨脹性能。
在低溫下，钛合金具有可調的零熱膨脹性能通過優化合金元素的含量和選擇适當的熱機械處理方法，钛合金的熱膨脹系數可以被調節到接近于零的水準。
這意味着在一定溫度範圍内钛合金的長度不會随溫度的變化而發生明顯的變化，這種特性使得钛合金在低溫工程中具有重要的應用前景，特别是對于需要保持尺寸穩定性的精密儀器和裝置而言，通過使用可調零熱膨脹的钛合金材料可以避免熱應力引起的損壞和失效問題提高了相關應用的可靠性和性能。
零熱膨脹材料是一種特殊的功能材料受到廣泛關注，因為它在精密器件、光學儀器和結構部件等實際應用中具有重要意義，實作ZTE材料的常見方法是将正熱膨脹材料與負熱膨脹材料結合在一起。
然而這種ZTE複合材料可能會在兩種材料界面處引發熱應力開裂問題，進而對材料的可靠性和壽命構成挑戰，如果我們能夠找到一種理想的單一形式的ZTE材料，這個問題就可以克服。
研究人員正在努力尋找具有零熱膨脹特性的材料，以解決這一難題。這樣的材料将具有在一定溫度範圍内保持穩定尺寸的能力，進而大大提高精密器件和其他應用的可靠性和性能。
目前已經發現了多種ZTE材料，包括鐵鎳合金、普魯士藍類似物、YbGaGe、PbTiO3基化合物、ScF3基化合物、β-矽赤鐵礦、TaO2F、氮化錳和La(Fe,Si)13基化合物等。
大多數這些材料的ZTE行為通常發生在非常狹窄的溫度範圍内，此外傳統的ZTE材料都是鐵磁性的，這可能在實際應用中引起幹擾，關于低溫應用中使用的ZTE材料的報道也相對較少。實際上，低溫ZTE材料對于在極端低溫環境下使用，例如低溫電子顯微鏡、低溫閥門、低溫容器和超導系統等方面具有重要意義。
«——【·實驗過程與結果·】——»
根據提供的資訊，研究中使用了BRUKER D8-發射衍射儀以及Cu Kα輻射進行衍射實驗。在20°<2θ<80°的範圍内，以0.01的步長進行資料采集，每個資料點的計數時間為1秒。
對于熱膨脹測量，使用了電膨脹方法，采用了沿橫向、滾動方向和法向進行表征的熱膨脹資料，樣品采用的是L75PTLD，比熱和熱導率測量使用了PPMS-14T系統，這是一種量子設計的裝置。
單軸拉伸測試采用了MTS SANS CMT 5000電子通用測試機，配合CryoLab低溫系統和Epsilon 3542低溫級伸長儀進行，測試在4.2、20、77和300K的條件下進行拉伸軸與樣品的滾動方向平行。
合金的所有機械性能測量都是按照ASTM E8/E8M标準進行的，這些儀器和實驗方法都是用于研究材料的熱膨脹性能、比熱和熱傳導性能以及機械性能的。
根據提供的描述，X射線衍射測定被用于确定TNZO合金在溶液處理條件下和經過90%冷軋後的相組成。圖1顯示了在常壓和溶液處理條件下的TNZO合金的XRD圖譜。
圖1
從圖中可以看出，在溶液處理條件下除了被标記為▾的小α"相外β相是主導相，然而在經過90%冷軋後，合金的微觀結構和相組成發生了嚴重的變化。
冷軋後的TNZO樣品中形成了應力誘導的α"馬氏體相。這是因為TNZO合金被認為處于β/（β+α"）相邊界上，這種邊界具有彈性不穩定性和彈性軟化的特點，這些變化可能與樣品的力學性質群組織結構的演化有關。
根據提供的資訊，圖2顯示了在不同溫度下進行90%冷軋後的TNZO合金的拉伸性能，在300K和77K條件下經過90%冷軋的合金具有低的楊氏模量和高強度。在4.2K下合金表現出更高的強度，表1提供了這些合金的詳細力學性能。
表1
圖2還顯示在4.2K時發生了鋸齒狀的屈服行為，這種不連續的塑性流動可以歸因于材料在低溫下的熱力學特性，尤其是比熱和溫度的急劇下降以及熱導率接近零，因為在低溫下任何突然的能量耗散過程，即塑性變形産生的熱，都會導緻局部溫度升高，并嚴重降低流動應力。
這些結果表明，在低溫條件下，TNZO合金具有特殊的力學性能和塑性形變行為，這可能與材料的熱力學特性有關，并且在實際應用中具有重要意義。
圖2
根據提供的說明，圖3展示了钛合金的一個最有趣的特征，即熱膨脹的各向異性。在滾動方向中，材料在100到300K範圍内的熱膨脹系數為負值，而在橫向和法向中，CTE在所研究的所有溫度範圍内均為正值。
值得一提的是，在RD方向上的平均CTE為-5.52×10-6 K-1，而在TD和ND方向上的平均CTE分别為11.06×10-6 K-1和23.74×10-6 K-1，可以明顯看出冷軋引入了明顯的熱膨脹各向異性。
圖3
衆所周知，經過溶液處理的钛合金在從100K到300K的範圍内表現出規則的線性熱膨脹行為，是以在圖中觀察到的負的熱膨脹表明這種行為基本上是與由應力誘導的馬氏體相變引起的位移各向異性相關聯的。
換句話說冷軋導緻了钛合金中強烈的熱膨脹各向異性，這種現象對于了解钛合金的微觀結構演化和力學性能的關系具有重要意義。
由于應力誘導的馬氏體相變受到限制并存在于納米尺度區域，可以通過微量調節來限制馬氏體相變的發生，顯然在冷軋過程中那些能最有效釋放應力的馬氏體變體會被優先誘發。
對于冷軋樣品如圖4所示，随着溫度的降低在滾動方向發生了異常的晶格膨脹，這與RD方向的正常熱膨脹相比更為顯著，從300K到100K發生了負的線性膨脹，高度紋理化的納米晶區域沿着法向方向排列（圖4），導緻了ND方向的正常熱膨脹，這種明顯的熱膨脹各向異性現象表明，經過冷軋處理的樣品中存在着豐富的大規模紋理納米晶顆粒。
圖4
這些發現表明，冷軋處理對于钛合金的微觀結構和性能具有顯著影響，通過控制馬氏體相變和納米晶顆粒的形成，可以實作對材料熱膨脹行為的調節和調控。
根據所提供的資訊，為了确定钛合金的熱膨脹随回火溫度的變化，進行了一系列的熱循環實驗。通過使用膨脹計，可以同時監測在熱處理過程中钛合金的熱膨脹變化。
圖5展示了熱處理流程。經過90%冷軋後的TNZO合金在膨脹計中進行了10次以上的測試，溫度範圍為100K到623K。首先，在100K到373K的循環中對樣品進行測試，然後在下一個循環中升高回火溫度，在最後一個循環中最高的回火溫度可達到623K。
圖5
通過在不同的熱循環中使用不同的回火溫度，我們可以觀察到通過控制冷軋合金的回火溫度，熱膨脹系數可以顯著調節。在100K到373K的溫度範圍内，滾動方向中的合金表現出負的線性CTE，為-7.81x10-6 K-1這在接下來的循環中保持不變。
然而當溫度升至573K時，在下一個循環中CTE趨向于-5.37x10-6 K-1，如果熱循環不超過598K，在後續循環中CTE仍将保持不變。
這些結果表明，通過調控回火溫度，可以對TNZO合金的熱膨脹性能進行調節。在特定的溫度範圍内合金表現出負的熱膨脹行為，這對一些特定應用可能具有重要意義，根據所提供的資訊，可以進一步研究控制和優化钛合金的熱力學特性和力學性能。
圖6
根據提供的資訊，在進行一系列回火溫度的升高過程中，熱膨脹曲線呈現出越來越平坦的趨勢，這是有意義的，因為通過控制回火溫度，CTE可以在從負值到正值再到接近零的範圍内進行完全調節。這種調節結果在圖7中展示出來，可以在從100K到623K的較寬溫度範圍内實作接近零的CTE。
這種現象可以通過以下方式解釋：随着回火溫度的升高，由冷軋引起的殘餘應力進一步松弛，樣品中的納米顆粒數量減少。當沿滾動方向由冷軋引起的負熱膨脹與非諧振動引起的正熱膨脹精确地抵消時，零熱膨脹行為出現，通過優化回火溫度可以獲得接近零的熱膨脹的钛合金材料。
這一發現表明，通過合适的熱處理工藝，可以精确調控钛合金的熱膨脹性能，使其接近于零。這對于一些特殊應用領域可能具有重要意義，同時也為钛合金的材料設計和應用提供了新的思路。
圖7
根據所提供的資訊，钛合金可以通過調節合金的熱膨脹性能來實作與傳統正熱膨脹材料不同的特性，在格蘭塔設計CES材料資料庫中可能存在钛合金的熱膨脹區域以粉紅色突出顯示。這種調諧的CTE合金的熱膨脹性能可以在廣泛的溫度範圍内覆寫陶瓷、複合材料和其他金屬的熱膨脹性能。
最重要的是這種具有零熱膨脹性能的钛合金具有多種超級性能，如低彈性模量、高強度、超彈性和優異的冷加工性能，與其他零熱膨脹材料，如Invar和氮化錳相比這種調節合金具有獨特的優勢。
同時，通過調節合金的CTE，可以提供精确控制合金熱膨脹性能的方法。這種方法極大地拓寬了材料設計領域，因為可以通過調整元件來滿足特定功能要求，而不必考慮補償熱膨脹引起的應力問題。
钛合金通過調節其熱膨脹性能可以實作與傳統正熱膨脹材料不同的特性和超級性能，它們在廣泛的溫度範圍内可應用于多個領域，并提供了一種精确控制合金熱膨脹性能的方法，這對于材料設計和開發新型功能材料具有重要意義。
«——【·結論·】——»
通過優化适當的熱機械加工實作了钛合金的零熱膨脹性能，關于近零熱膨脹材料的應用，以下是最關鍵的幾點：
1. 通過在100K到623K之間進行循環熱膨脹試驗，得出應力誘導的馬氏體相變引起的零熱膨脹特性可以很好地再現。
2. 這種方法可以獲得超過20×10-6 K-1的非常高的熱膨脹系數法線方向曲線。
3. 該ZTE材料具有非常寬廣的零熱膨脹溫度範圍和多種超級性能，在一些工程應用中具有很高的潛力，例如低熱洩漏低溫閥、大型低溫液化系統、超導元件等。
這些結果表明，通過調控熱機械加工和熱處理的參數，钛合金可以實作接近零熱膨脹的性能，并具備廣泛的應用潛力。進一步研究和開發這些近零熱膨脹材料，将為設計和制造具有特殊溫度穩定性和性能要求的工程元件提供新的可能性。