《Materials Characterization》：Nb-controlled β-phase stability enables cooling-route tuning of magnetic susceptibility and Young's modulus in Zr–xNb–1Cu alloys
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Zr–xNb–1Cu合金通过调控Nb含量（2.5–22 wt%）和冷却工艺（水冷/空冷/炉冷），实现了磁导率（0.748–1.506×10?? cm3·g?1）与弹性模量（最低48.22 GPa）的协同优化，其中空冷14Nb合金在低磁导率下达到最佳力学平衡。
何世强|谭新宇|刘云云|李双江|蔡双|刘硕|邱瑞生
重庆大学材料科学与工程学院电子显微镜中心，中国重庆400044
摘要
本研究设计了Zr–xNb–1Cu合金（x = 2.5、5、14和22 wt%），以覆盖低磁化率Zr基合金中受铌控制的β稳定性区域。在1050°C的β相区域进行30分钟的固溶处理后，样品通过水淬、空气冷却或炉冷来调节冷却路径对相变的影响。XRD和电子显微镜观察结果表明，铌的添加增强了β基体的稳定性，而冷却路径则决定了相的选择和微观组织形态：在铌含量较低时形成与α相相关的板条结构，在亚稳态β条件下形成ω相，在特定缓慢冷却状态下形成Zr?Cu颗粒。所有经过固溶处理的样品都具有较低的质量磁化率（0.748–1.506 × 10?? cm3·g?1）。最低的质量磁化率出现在WC-5Nb合金中；而最低的杨氏模量则出现在AC-14Nb合金中（48.22 GPa），同时保持了较低的质量磁化率（约1.30 × 10?? cm3·g?1）和相对较高的延伸率（17.53%）。这些结果表明，最低质量磁化率和最低杨氏模量的形成条件是相互独立的，因此AC-14Nb合金是本合金系列中更为理想的候选材料。
引言
磁共振成像（MRI）常用于医学诊断和术后随访。然而，金属植入物和设备由于金属与周围组织之间的磁化率（χ）不匹配，可能会产生磁化率伪影，导致图像失真和信号丢失。因此，降低χ值是开发MRI兼容性金属材料的关键要求[1]、[2]、[8]、[10]、[11]、[12]、[13]、[30]。
基于锆（Zr）的合金是MRI相关应用的理想候选材料，因为Zr及其合金的χ值相对较低，同时仍具有优异的机械性能。对于承受机械载荷的骨科硬组织植入物而言，机械相容性同样重要：较低的杨氏模量（E）有助于减轻应力屏蔽效应，而适当的强度-延展性平衡则能确保结构的可靠性[8]、[9]、[10]。因此，合金设计应同时考虑χ值、E值和拉伸性能，而不仅仅是优化单一指标[3]、[5]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。
在Zr合金中，相组成和微观结构可以直接调节磁性和机械性能。在β稳定元素中，铌被广泛用于稳定Zr基合金的β相，并能形成低模量的β相或亚稳态β相。当合金在β区域进行固溶处理后进行冷却时，冷却路径会显著影响相变路径和微观组织形态，包括α/α'相关的板条结构、亚稳态β相的保持以及ω相关产物的形成。研究表明，ω相关产物可以降低χ值，但可能会影响拉伸变形能力，这突显了亚稳态Zr体系中低χ值与延展性之间的权衡[3]、[4]、[6]、[9]、[14]、[15]、[16]、[17]、[28]、[29]。
从合金设计的角度来看，本研究选择的不同铌含量（2.5、5、14和22 wt%）涵盖了从接近α/α'相到高铌含量下的β稳定区域的广泛范围，从而能够系统地评估铌对β稳定性的影响以及这种影响如何改变同一合金系列的冷却路径产物和性能[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。此外，还添加了1 wt%的Cu作为微量元素。据报道，Cu可以提高二元ZrCu合金的拉伸强度，并可能增强抗蒸汽氧化性能；此外，腐蚀过程中Cu离子的释放被认为具有潜在的抗菌作用。因此，Cu在这里作为次要功能添加剂使用，而铌仍然是控制相稳定性和相变的主要因素[3]、[4]、[6]、[7]、[18]、[19]、[20]、[21]。
本研究调查了Zr–xNb–1Cu合金（x = 2.5、5、14和22 wt%），以探讨β固溶处理后的冷却路径如何控制相组成/微观结构，进而影响χ值、杨氏模量和拉伸性能的耦合关系。首先对铸态样品进行了基线表征，然后将其在单β区域（1050°C，30分钟）进行固溶处理，并通过水淬（WC）、空气冷却（AC）或炉冷（FC）进行冷却。使用X射线衍射（XRD）、背散射电子显微镜（BSE-SEM）和透射电子显微镜（TEM/SAED）在代表性条件下研究了相组成和微观结构的变化。同时测量了质量磁化率，并将其与杨氏模量和拉伸性能进行了关联分析。此外，还利用铸态合金的初步电化学数据为该合金系列提供了腐蚀相关的基线信息。本研究建立了冷却路径选择与微观结构、性能之间的关联，为寻找低χ值/低杨氏模量的理想合金状态提供了依据。
合金制备
采用真空悬浮熔炼法，在Ar气氛下制备了一系列Zr–xNb–1Cu合金（x = 2.5、5、14和22 wt%），使用的高纯度Zr、Nb和Cu原料。为确保化学均匀性，每块锭材至少翻转并重新熔炼三次。铸态锭材通过线切割电火花加工（EDM）进行切割，以便后续的热处理和性能表征。
β固溶处理和冷却路径
样品经过研磨去除氧化层后，密封在真空石英管中，并在单β区域进行固溶处理
铸态基线：相组成、微观结构、质量磁化率和初步电化学行为
铸态样品作为基线，用于评估后续β固溶处理和冷却路径对相组成、微观结构以及磁-机械耦合响应的影响。如图1a所示，XRD图谱显示了铌含量增加时基体组成的明显变化：随着铌含量从2.5 wt%增加到22 wt%，衍射特征逐渐从以α相为主的结构转变为更稳定的β相结构
铌控制的β稳定性
铸态样品不仅作为起始微观结构，还用于评估β固溶处理和后续冷却带来的影响。室温下的磁化率（M–H）曲线大致呈线性，表明这些合金具有顺磁行为。在这种情况下，铸态样品中铌含量增加导致质量磁化率单调增加，这与组成向更稳定的β相转变一致。
结论
在Zr–xNb–1Cu（x = 2.5–22 wt%）合金系列中，铌含量的增加稳定了β相，使低铌含量下的微观结构从以α相为主的板条形态转变为高铌含量下的β相主导的纳米级结构。经过β固溶处理（1050°C/30分钟）后，冷却路径可以控制相变和性能，同时保持较低的质量磁化率（0.748–1.506 × 10?? cm3·g?1）。最低磁化率出现在WC-5Nb合金中（0.748 × 10?? cm3·g?1），但其微观结构中包含ω相关产物
CRediT作者贡献声明
何世强：撰写初稿、项目管理、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。
谭新宇：资源协调、方法论设计、数据分析。
刘云云：资源提供、实验研究、数据分析。
李双江：软件应用、资源协调、数据分析。
刘硕：数据分析、数据管理。
邱瑞生：撰写终稿、审稿编辑、项目监督、资源协调、资金争取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：51501021和51421001）的支持。
