Mechanistic origin of oxygen-induced twin suppression in titanium

チタンにおける酸素誘起双晶抑制のメカニズムの起源

Chong, Y.*; 都留 智仁   ; Gholizadeh, R.*; Minor, A. M.*; 辻 伸泰*

Chong, Y.*; Tsuru, Tomohito; Gholizadeh, R.*; Minor, A. M.*; Tsuji, Nobuhiro*

六方最密充填(HCP)チタン合金は、非対称なHCP結晶構造のため本質的に独立した滑り系が少ないため、大きな延性を達成するには双晶形成が不可欠である。一般に双晶形成は原理的には微量の格子間酸素によって抑制され、チタンの延性が大幅に低下することが知られているが、その根本的なメカニズムは議論の余地がある。本研究では、Ti-O合金の双晶形成/双晶回復挙動に関する体系的なマルチスケール研究を報告し、格子間酸素が双晶形成を阻害する要因を検討した。アトムプローブトモグラフィーを使用して、酸素原子が{102}引張双晶境界と{112}圧縮双晶境界の両方に偏析することを初めて明らかにした。また、第一原理計算によって、酸素シャッフルメカニズムによる双晶境界への酸素原子の強いピン止め効果が示され、これにより異なる温度でのTi-O合金の双晶境界の特異な移動形態を説明することに成功した。これらの実験と計算による研究から得られた知見は、格子間不純物含有量の変動に対する許容度を高めたチタン合金の設計の根拠となり、この高強度で軽量な材料のより広範な使用に大きな意味をもたらす。

Twinning is essential for achieving large ductility in hexagonal close-packed (HCP) titanium alloys that inherently lack independent slip systems due to an asymmetrical HCP crystal structure. Unfortunately, twinning is in principle suppressed by a trace amount of interstitial oxygen, resulting in a substantially deteriorated ductility in titanium. However, the underlying mechanism remains in dispute so far. Here, we report a systematic multiscale study on the twinning/detwinning behaviors of Ti-O alloys that provides a clear mechanistic view of how interstitial oxygen inhibits twinning. We reveal for the first time that oxygen atoms segregate to both {102}2} compression twin boundaries using atom probe tomography. Combined with theoretical simulations that unravel a strong pinning effect of oxygen atoms on twin boundary due to an oxygen shuffling mechanism, we explain the distinctive migration abilities of twin boundaries in Ti-O alloys at different temperatures. The insights from our experimental and computational work provide a rationale for the design of titanium alloys with increased tolerance to variations in interstitial impurity content, with significant implications for more widespread use of this high strength, light weight material.