一種高強(qiáng)韌雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于合金加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高強(qiáng)韌雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金及其制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]作為從20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因其密度低、比強(qiáng)度高、耐熱性高和耐蝕性好等優(yōu)異的綜合性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于化工、汽車、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域。作為一種重要的工程結(jié)構(gòu)材料，制備出更高比強(qiáng)度與強(qiáng)韌性的鈦合金以滿足更苛刻條件下的應(yīng)用，已成為科研人員追求的永恒目標(biāo)。有效改進(jìn)鈦合金的制備工藝，并精確控制其微觀結(jié)構(gòu)(相種類、尺度、形態(tài)及其分布)，一直被大多數(shù)研究者們視為改善鈦合金強(qiáng)韌性的最行之有效的兩大途徑。
[0003]目前，He等人在Nature上報道了一種通過改變微觀結(jié)構(gòu)來獲得高強(qiáng)韌雙尺度鈦合金的方法，他們通過銅模鑄造快速凝固法獲得了一系列fee納米晶基體+微米晶延性bcci3-Ti樹枝晶的雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金。這種雙尺度結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理如下:合金熔體從高溫液相冷卻過程中，在半固態(tài)溫度區(qū)間一部分液相優(yōu)先凝固析出高熔點(diǎn)的bcci3-Ti相，足夠的保溫時間后bcci3-Ti長大為微米級樹枝晶，剩下的液相在隨后的快速冷卻凝固過程中形成fee納米晶基體。在形變過程中，形成的雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金中的fee納米晶基體為材料提供了超高的強(qiáng)度，而延性微米級bcc β -Ti樹枝晶貢獻(xiàn)于材料的高塑性，其斷裂強(qiáng)度大于2000MPa，同時斷裂應(yīng)變大于10%。此后，越來越多關(guān)于具有此類納米晶基體+微米樹枝晶的組織結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)韌雙尺度鈦合金成分體系被連續(xù)報道。但是，這種方法也存在兩個缺陷:一是由于五組元成分容易形成金屬間化合物從而抵消樹枝晶的增強(qiáng)效應(yīng)、惡化材料的延性，所以這種方法制備雙尺度結(jié)構(gòu)的成分選擇范圍比較狹窄；二是銅模鑄造過程中冷卻速率要求極高，導(dǎo)致制備的這些高強(qiáng)韌雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金尺寸一般為幾個毫米。以上兩個因素成為了限制這些高強(qiáng)韌雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金實際應(yīng)用的一大瓶頸。
[0004]作為一種替代成形技術(shù)，粉末冶金技術(shù)具有制備的材料成分均勻、材料利用率高、近凈成形等特點(diǎn)，且容易制備超細(xì)晶/納米晶結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)韌合金，常用于制備較大尺寸、復(fù)雜形狀的合金零部件。近年來，隨著學(xué)科的交叉與融合，一系列結(jié)合擠壓、鍛造和乳制等粉末固結(jié)工藝的半固態(tài)加工工藝應(yīng)運(yùn)而生。然而，迄今為止，半固態(tài)加工工藝主要集中于鋁合金、鎂合金等低熔點(diǎn)合金體系。且現(xiàn)有半固態(tài)加工工藝中必需的半固態(tài)漿料或坯料的制備工序比較復(fù)雜，難以制備出高熔點(diǎn)金屬合金的半固態(tài)漿料，這極大程度上限制了半固態(tài)加工工藝技術(shù)潛力的發(fā)揮，制約了相關(guān)該技術(shù)合金體系的應(yīng)用范圍。此外，現(xiàn)有半固態(tài)加工工藝制備的合金材料微觀結(jié)構(gòu)晶粒都非常粗大(通常為幾十微米以上)，難以獲得超細(xì)晶或納米晶等晶粒細(xì)化的微觀結(jié)構(gòu)，更不可能制備出雙尺度或多尺度結(jié)構(gòu)。
[0005]有鑒于此，基于上述銅模鑄造法采用的鈦合金體系，本課題組提出基于非晶晶化理論，通過粉末固結(jié)+非晶晶化法制備了一系列高強(qiáng)韌鈦合金(強(qiáng)度大于2500MPa的同時斷裂應(yīng)變超過30% )，這種制備方法的機(jī)理為:先采用機(jī)械合金化制備非晶/納米晶復(fù)合粉末，然后通過粉末固結(jié)法將非晶/納米晶復(fù)合粉末固結(jié)成形，升溫過程中非晶/納米晶復(fù)合粉末中優(yōu)先析出bcc β -Ti，隨后再析出fee第二相，最終形成等軸超細(xì)晶β -Ti基體+等軸超細(xì)晶fee第二相的復(fù)合結(jié)構(gòu)。該方法不受冷卻速率的限制，不僅能制備大尺寸的塊狀合金，而且具有更為優(yōu)越的力學(xué)性能。值得注意的是，前述制備fee納米晶基體+微米晶β -Ti樹枝晶的雙尺度結(jié)構(gòu)的銅模鑄造法需在半固態(tài)溫度區(qū)間(即固-液共存區(qū)間)保溫一段時間后再快冷從而得到雙尺度結(jié)構(gòu)；且大量研究表明，高熔點(diǎn)bcc β -Ti的熔點(diǎn)通常高于1943Κ，而低熔點(diǎn)fee相的熔點(diǎn)通常低于1500K，即在這兩個溫度范圍內(nèi)合金處于一個較寬的半固態(tài)溫度區(qū)間。然而，上述制備等軸超細(xì)晶β -Ti基體+等軸超細(xì)晶fee第二相復(fù)合結(jié)構(gòu)的粉末固結(jié)+非晶晶化法，其燒結(jié)溫度始終小于合金的熔化溫度；同時，由于bcc β -Ti和fee兩相長大均為固固相變、熱力學(xué)生長條件基本一樣，故未能制備出雙尺度結(jié)構(gòu)。
[0006]綜上所述，如果將以上具有bcc β-Ti和fee兩個晶態(tài)相的非晶/納米晶粉末，在高于低熔點(diǎn)fee相的熔化溫度且低于高熔點(diǎn)的bcc β -Ti的熔化溫度之間，也就是在合金的半固態(tài)溫度區(qū)間進(jìn)行燒結(jié)，通過燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力、保溫時間、冷卻速率等半固態(tài)燒結(jié)工藝參數(shù)的合理調(diào)控，最終將可能制備出新型的高強(qiáng)韌雙尺度結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可能既不同于銅模鑄造法的納米晶基體+微米級樹枝晶的雙尺度結(jié)構(gòu)，同時又不同于粉末固結(jié)+非晶晶化法的等軸超細(xì)晶復(fù)合結(jié)構(gòu)，這將對開發(fā)新型高性能新結(jié)構(gòu)鈦合金材料及其滿足工業(yè)應(yīng)用的近凈成形工程零件，具有重要的理論和工程意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]基于以上現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的首要目的在于提供一種高強(qiáng)韌雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金。
[0008]本發(fā)明的另一目的在于提供上述高強(qiáng)韌雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金的制備方法。
[0009]本發(fā)明的再一目的在于提供上述高強(qiáng)韌雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金的應(yīng)用。
[0010]本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0011]—種高強(qiáng)韌雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金，所述鈦合金的成分體系表示為:T1-MR-Ma-Mb-Mc，其中MR為Nb、Ta、Mo或V等β-Ti相穩(wěn)定和提高β-Ti熔點(diǎn)的元素；Ma-Mb為Cr-Co、Cu-Co、Cu-NiN Fe-CoN Fe_In、Fe_V、Fe_Ga、Fe-Sn 或 FeGa 等相互固溶的元素；Mc 為 Al、Sn、Ga、In、Bi或Sb等α -Ti相穩(wěn)定元素；其微觀組織結(jié)構(gòu)包括兩相組織均為雙尺度共存分布，即微米晶等軸bcc β -Ti和超細(xì)晶等軸bcc β -Ti雙尺度共存，同時微米晶fee MbTi2和超細(xì)晶等軸fee MbTi2雙尺度共存；或其微觀組織結(jié)構(gòu)包括超細(xì)晶fee MbTi2孿晶沿著雙尺度基體邊界分布，雙尺度基體為微米晶bcc β-Ti內(nèi)彌散分布納米針狀馬氏體α '相。
[0012]優(yōu)選地，所述鈦合金的成分體系為:T1-Nb-Cu-Co-Al，各元素的原子百分比為Ti58 ?70at.%, Nb 9 ?16at.%, Cu 4 ?9at.%, Co 4 ?9at.%, Al 2 ?8at.%，以及不可避免的微量雜質(zhì)；其微觀組織結(jié)構(gòu)包括兩相組織均為雙尺度共存分布，即微米晶等軸bcc β -Ti和超細(xì)晶等軸bcc β -Ti雙尺度共存，同時微米晶板條fee CoTi2和超細(xì)晶等軸fee CoTi2雙尺度共存；或其微觀組織結(jié)構(gòu)包括超細(xì)晶板條fee CoTi2孿晶沿著雙尺度基體邊界分布，雙尺度基體為微米晶bcc β-Ti內(nèi)彌散分布納米針狀馬氏體α '相。
[0013]上述高強(qiáng)韌雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金的制備方法，包括以下制備步驟:
[0014](I)混粉:根據(jù)具有不同恪點(diǎn)的兩個fee和bcc晶態(tài)相的原則設(shè)計出合適的合金成分，把單質(zhì)粉末按比例配料后混合均勻；
[0015](2)高能球磨制備合金粉末:將混合均勻的粉末置于惰性氣氛保護(hù)的球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，直至形成納米晶或非晶結(jié)構(gòu)的合金粉末，然后對球磨合金粉末進(jìn)行熱物性分析，確定升溫過程中合金粉末的低恪點(diǎn)fee相恪化峰特征溫度和高恪點(diǎn)bcc β -Ti恪化峰特征溫度，包括開始熔化溫度、峰值熔化溫度和結(jié)束熔化溫度；
[0016](3)半固態(tài)燒結(jié)合金粉末:將步驟(2)的合金粉末裝入模具內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程分為三個階段:①燒結(jié)壓力條件下，升溫至低于低熔點(diǎn)fee相的熔化峰的開始熔化溫度，對合金粉末進(jìn)行致密化燒結(jié)處理繼續(xù)升溫至半固態(tài)燒結(jié)溫度Ts，其中低熔點(diǎn)fee相熔化峰的開始熔化溫度彡K高熔點(diǎn)bcc β -Ti熔化峰的開始熔化溫度，在10?500MPa燒結(jié)壓力下進(jìn)行半固態(tài)燒結(jié)加工處理1min?2h ;③保壓冷卻至室溫，得到高強(qiáng)韌雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金。
[0017]優(yōu)選地，步驟⑴中所述的單質(zhì)粉末的顆粒尺寸為20?100 μπι。
[0018]優(yōu)選地，步驟(2)中所述的高能球磨是指在轉(zhuǎn)速為2?6r/s下球磨I?100h，球料比為7:1?12:1。在上述球料比范圍內(nèi)，控制轉(zhuǎn)速即可調(diào)整高能球磨的時間。
[0019]優(yōu)選地，步驟(3)中所述的模具為石墨模具，所述的燒結(jié)壓力為10?lOOMPa。
[0020]優(yōu)選地，步驟(3)中所述的模具為碳化鎢模具，所述的燒結(jié)壓力為60?500MPa。
[0021]優(yōu)選地，步驟(3)中所述的冷卻至室溫是指隨爐直接冷卻或調(diào)節(jié)冷卻速率為10?250 °C /min進(jìn)行冷卻。
[0022]上述高強(qiáng)韌雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金在航天航空、兵器、體育器材等領(lǐng)域中的應(yīng)用(如較大尺寸、復(fù)雜形狀、適合工程應(yīng)用的高強(qiáng)韌合金材料及其近凈成形零件，如齒輪、薄壁管、裝甲、高爾夫球頭等)。
[0023]本發(fā)明的制備方法及所得到的產(chǎn)物具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0024](I)本發(fā)明通過粉末冶金與半固態(tài)加工相結(jié)合的技術(shù)，對材料的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，其微觀組織結(jié)構(gòu)包括兩相組織均為雙尺度共存分布，即微米晶等軸bcc β -Ti和超細(xì)晶等軸bcc β -Ti雙尺度共存，同時微米晶板條fee CoTi2和超細(xì)晶等軸fee CoTi 2雙尺度共存；或其微觀組織結(jié)構(gòu)包括超細(xì)晶板條fee 0)112孿晶沿著雙尺度基體邊界分布，雙尺度基體為微米晶bcc β-Ti內(nèi)彌散分布納米針狀馬氏體α '相，獲得新型雙尺度結(jié)構(gòu)高強(qiáng)韌的鈦合金；制備的最優(yōu)性能合金其抗壓強(qiáng)度和塑性分別達(dá)到3139MPa和42.3%，綜合力學(xué)性能遠(yuǎn)高于銅模鑄造法所制備的納米晶基體+延性微米級β -Ti樹枝晶結(jié)構(gòu)的雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金；
[0025](2)本發(fā)明中所述半固態(tài)燒結(jié)制備工藝屬于粉末冶金與半固態(tài)加工的交叉學(xué)科，克服了傳統(tǒng)的半固態(tài)加工技術(shù)只能制備出粗