通过局部电脉冲处理构建多尺度异质结构，以协同提升Cu-Ti合金的强度和延展性

《Journal of Materiomics》：Construction of multi-scale heterostructures via localized electropulsing treatment for synergistic strength-ductility enhancement in Cu-Ti alloys

异质结构通过软硬相协同应力应变分布机制实现高强度高延展性，本研究基于局部电脉冲处理（LEPT）在Cu-2.9wt.%Ti合金构建多尺度异质结构，显著提升材料强度-延展性积36%，抑制局部颈缩，为异质材料设计提供新范式。

　　本研究围绕铜-钛合金的多尺度异质结构设计展开，通过模仿生物装甲的结构特性，提出了局部电脉冲处理（LEPT）技术，成功构建了具有生物仿生特性的异质结构。该合金在室温下的拉伸测试与数字图像相关（DIC）分析显示，异质结构能够有效减少变形过程中的应变集中，从而显著提升材料的延展性，同时保持较高的强度。这种设计不仅优化了材料的强度-延展性平衡，还为异质结构材料的灵活设计与定向调控提供了理论依据和技术支持。

在传统金属材料中，强化机制主要依赖于阻碍位错的运动。然而，这种方法虽然能够提高材料的强度，却也限制了其塑性变形能力。相比之下，生物装甲通过硬质外层和软质内层的协同作用，实现了对冲击能量的分散和吸收。例如，硬质层在受到冲击时能够有效阻挡穿透，而内部的软质组织则通过局部变形转化为整体的协调运动，从而提高材料的抗冲击能力。受此启发，异质结构工程逐渐成为解决材料科学中强度与延展性矛盾的有前景策略。

异质结构设计通常将具有不同化学成分、晶粒尺寸或相结构的区域整合到特定的空间配置中，这些区域表现出不同的机械性能。通过这些区域之间的协同作用，可以优化材料的整体性能，提高其塑性而不牺牲强度。例如，Li等人通过粉末冶金技术制造了三维核壳纳米结构的纯铜，其中硬质区域由超细晶壳组成，而软质区域则为粗晶核。在变形过程中，软核与硬壳之间的应变分配形成了显著的塑性应变梯度，促进了GNDs（几何不连续位错）的积累，从而显著提升了材料的强度和韧性。

Cheng等人则设计了具有不同体积分数梯度转变层（GTL）的纳米结构铜，发现随着GTL比例的增加，梯度纳米孪晶铜的屈服强度显著提高，同时弹性到塑性转变阶段延长，延展性未受影响。而Zheng等人通过气体金属弧焊和基线线弧增材制造技术，制造了具有异质结构的Ti-4 wt.%Cu合金，其由马氏体α'和等轴结构组成，展现出优异的强度-延展性平衡，屈服强度达到971 MPa，断裂延伸率高达11.6%。这些研究表明，异质结构能够有效提升材料的综合性能。

然而，目前的研究多集中在微观尺度，主要通过晶粒间的相互作用或相结构的调控来实现异质结构。相比之下，对中观尺度异质结构的研究相对较少。更重要的是，大多数现有的制造技术缺乏自上而下的可控设计能力，导致软硬区域在异质结构中的分布具有较大的随机性。这种无序的异质性限制了材料性能的充分发挥，因此，开发能够精确调控异质结构的新型方法具有重要的理论和实际意义。

电脉冲处理是一种材料改性技术，它通过向金属系统施加瞬时、高能脉冲电流，实现对材料的改性。与传统的热处理相比，电脉冲处理具有更高的效率和能量利用率，同时能够产生非热效应。在电脉冲作用下，材料内部会经历电热和其他多种效应，从而改变物质的扩散和迁移规律、晶体取向和微观结构。该技术已被广泛应用于加速合金的再结晶过程、促进沉淀相的相变、元素扩散以及位错的激活和迁移。

Wang等人比较研究了传统热处理和电脉冲处理对固溶处理后的Cu-3.5 wt.%Ti合金的影响，发现电脉冲处理能够在短时间内完成共析分解和短程有序到长程有序的相变，形成细小且均匀的β'-Cu?Ti沉淀相，从而显著增强沉淀强化效果，提高合金强度，缩短峰值时效时间，并改善合金的延展性。Long等人则研究了传统退火处理和电脉冲处理对Fe-3 wt.%Si硅钢带的影响，发现电脉冲处理能够在较低温度下快速完成再结晶，形成细小且均匀的等轴晶粒，并诱导形成Goss取向（{110}<001>）。相比传统退火处理，电脉冲处理显著降低了Fe-3 wt.%Si合金的再结晶温度，加快了再结晶过程，并提升了硅钢带的机械性能。

更重要的是，电脉冲处理对材料微观结构的调控与脉冲电流的参数（频率、强度、占空比等）和作用时间密切相关，这意味着通过调整这些参数，可以实现对材料微观结构的精准调控。基于此，本文以商用固溶处理后的Cu-2.9 wt.%Ti合金为研究对象，改进了传统的电脉冲处理方法，提出了区域电脉冲处理技术。该技术通过设计特定的电极探头，实现脉冲电流在材料特定微区域内的作用，从而达到对微区域组织的定向调控。进一步地，通过自上而下的几何设计，使硬质微区域在整个样品中呈现周期性分布，最终构建出具有生物仿生装甲特性的多尺度异质结构（MSH）Cu-Ti合金。

本文的研究重点在于分析这种异质结构的形成机制及其对Cu-2.9 wt.%Ti合金机械性能和微观结构的影响。通过实验方法，我们选择了商用固溶处理的Cu-Ti合金板作为基材，其化学成分为铜97.1 wt.%、钛2.9 wt.%。为了实现LEPT，我们使用了矩形样品（尺寸为34 mm × 10 mm × 1.6 mm），并通过设计的铜电极探头进行处理。脉冲电流从输入电极尖端注入，经过样品后从输出端排出，从而实现对特定微区域的调控。这种处理方式使得材料在微区域范围内形成了梯度硬度分布，中心区域表现出明显的共析结构和β'-Cu?Ti沉淀相，而外围区域则未形成沉淀相，仍处于初始的共析分解阶段，元素偏析现象微弱。

通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）的观察，我们发现经过LEPT处理的Cu-Ti合金在处理区域内部形成了梯度硬度分布，这种分布使得材料在变形过程中能够更均匀地分布应变，从而有效减少局部颈缩现象。这种异质结构的形成机制与材料在处理过程中经历的电热效应、元素扩散和相变密切相关。通过调控脉冲电流的参数，我们能够精确控制这些过程，进而实现对材料微观结构的定向优化。

在机械性能方面，LEPT处理后的Cu-2.9 wt.%Ti合金表现出显著的性能提升。与传统时效处理相比，其延展性提高了约64%，而强度仅下降约14%，从而使得强度-延展性乘积（UTS × EL）提升了36%。这种性能的提升归因于异质结构中软区的保留，为材料提供了良好的延展性基础，同时异质变形诱导的应变硬化和强化效应显著提高了材料的强度。在变形过程中，由于异质结构的存在，材料能够实现持续且均匀的变形，避免了传统材料中常见的局部颈缩现象。

此外，本文还探讨了异质结构对材料微观组织的影响。通过LEPT处理，我们能够实现对材料微观组织的精准调控，使其在特定区域形成硬质相和软质相的有序分布。这种有序分布不仅提高了材料的强度，还增强了其塑性变形能力，从而实现了强度与延展性的协同提升。这种多尺度异质结构的设计思路为未来高性能合金的开发提供了新的方向，同时也为异质结构材料的工程应用奠定了基础。

在实验方法部分，我们详细描述了LEPT处理的具体实施过程。首先，对商用固溶处理的Cu-2.9 wt.%Ti合金板进行加工，以获得适合处理的样品尺寸。随后，设计并制造了具有特定形状的铜电极探头，以实现脉冲电流在样品特定微区域内的作用。通过控制脉冲电流的参数，如频率、强度和占空比，我们能够调节材料在处理过程中的相变行为和组织演变。最终，通过自上而下的几何设计，使硬质微区域在整个样品中呈现出周期性分布，从而构建出具有生物仿生装甲特性的多尺度异质结构。

在机械性能测试方面，我们采用了室温下的拉伸测试，并结合数字图像相关（DIC）技术对材料的变形行为进行了详细分析。测试结果表明，LEPT处理后的Cu-2.9 wt.%Ti合金在拉伸过程中表现出更均匀的应变分布，避免了传统材料中常见的应变集中现象。这种均匀的应变分布不仅提高了材料的延展性，还显著增强了其强度-延展性乘积。同时，DIC分析还揭示了材料在变形过程中的微观应变行为，为理解异质结构对材料性能的影响提供了重要依据。

在微观组织分析方面，我们通过透射电镜（TEM）对LEPT处理后的Cu-2.9 wt.%Ti合金进行了详细观察。结果表明，处理区域内部形成了显著的硬度梯度，中心区域表现出明显的共析结构和β'-Cu?Ti沉淀相，而外围区域则未形成沉淀相，仍处于初始的共析分解阶段。这种硬度梯度的形成机制与材料在处理过程中的相变行为密切相关，而相变行为又受到脉冲电流参数的调控。通过精确控制这些参数，我们能够实现对材料微观组织的定向优化，从而提升其整体性能。

本研究的结论表明，LEPT技术能够实现对Cu-2.9 wt.%Ti合金微区域的定向调控，使其在特定区域内形成梯度硬度分布。这种分布不仅提高了材料的强度，还显著增强了其延展性，从而实现了强度与延展性的协同提升。通过自上而下的几何设计，我们构建出具有生物仿生装甲特性的多尺度异质结构，这种结构能够有效分散和吸收冲击能量，提高材料的抗冲击能力。此外，LEPT技术还为异质结构材料的灵活设计和定向调控提供了新的思路和方法，具有重要的理论和实际意义。

在作者贡献部分，Hang Cao负责撰写和编辑论文、可视化、验证、监督、软件开发、项目管理、方法设计、调查和数据分析，同时负责数据管理和概念设计。Chengzhi Huang参与了论文的撰写、可视化、数据分析和概念设计。Yiwei Qin负责方法设计和概念设计。Meng Wang参与了论文的撰写、监督和概念设计。Jianing Zhang负责论文的撰写和资金支持。这些贡献表明，本研究是一个团队合作的成果，涵盖了从材料设计、实验实施到数据分析和论文撰写的全过程。

在声明部分，作者表示他们没有已知的与本研究相关的竞争性财务利益或个人关系，这表明研究的独立性和客观性。在致谢部分，本文得到了中国国家重点研发计划（编号：2023YFB3710004）、国家自然科学基金（编号：U2202255）以及湖南省科技与创新计划（编号：2023RC1019）的资助，这些支持为本研究的顺利进行提供了重要保障。

综上所述，本研究通过LEPT技术成功构建了具有生物仿生装甲特性的多尺度异质结构，显著提升了Cu-2.9 wt.%Ti合金的强度-延展性平衡。这种设计不仅为高性能合金的开发提供了新的思路，也为异质结构材料的工程应用奠定了基础。未来的研究可以进一步探索这种异质结构在不同材料体系中的适用性，以及如何通过优化处理参数实现更精确的性能调控。此外，还可以结合其他先进的材料处理技术，如激光加工、电子束辐照等，以实现更复杂的异质结构设计，从而拓展其在航空航天、汽车制造等领域的应用前景。