改進(jìn)或引進(jìn)新的制備工藝,并控制微觀組織結(jié)構(gòu)(相的種類、晶粒尺度、形態(tài)及分布),一直以來被大多數(shù)研究人員視為提高鈦合金強(qiáng)韌性最有效的兩大途徑。通過在超細(xì)晶/納米晶中引入粗晶來得到雙尺度結(jié)構(gòu)從而提高材料強(qiáng)韌性,近年來引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。采用銅模鑄造法制備納米晶基體+微米樹枝晶β-Ti的雙尺度高強(qiáng)韌結(jié)構(gòu)鈦合金的研究已經(jīng)持續(xù)十余年,本課題組前期采用與銅模鑄造法中的鈦合金體系相似的合金成分,基于非晶晶化理論,通過機(jī)械合金化+放電等離子燒結(jié)工藝成功制備了一系列雙相等軸超細(xì)晶復(fù)合結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)韌鈦合金,綜合性能優(yōu)于銅模鑄造法鈦合金。基于以上兩種方法的原理,本論文在課題組非晶晶化法的基礎(chǔ)上創(chuàng)新地提出了一種非晶復(fù)合粉末的半固態(tài)燒結(jié)方法,選用Ti68.8Nb13.6Co6Cr5.1Al6.5和Ti68.8Nb13.6Co6Cu5.1Al6.5合金成分為研究對(duì)象,探究能否在粉末的半固態(tài)溫度區(qū)間調(diào)整工藝來制備新型的雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金,進(jìn)而得到更高的強(qiáng)韌性,重點(diǎn)研究新型結(jié)構(gòu)鈦合金的組織轉(zhuǎn)變機(jī)理及其強(qiáng)韌化機(jī)理,并進(jìn)一步研究了球磨時(shí)間對(duì)半固態(tài)燒結(jié)鈦合金組織性能的影響規(guī)律。首先,通過機(jī)械合金化球磨90h后得到了Ti68.8Nb13.6Co6Cr5.1Al6.5非晶/納米晶復(fù)合粉末,DSC和高溫原位XRD測(cè)試表明非晶復(fù)合粉末的半固態(tài)區(qū)間起始溫度為1210℃。通過對(duì)比不同參數(shù)下半固態(tài)燒結(jié)制備的樣品發(fā)現(xiàn),當(dāng)燒結(jié)溫度為1250℃時(shí)可得到一種微米等軸晶β-Ti+超細(xì)板條晶CoTi2的雙尺度結(jié)構(gòu),在整個(gè)燒結(jié)過程中其組織演變經(jīng)過了以下四個(gè)過程：Ⅰ)粉末重排；Ⅱ)非晶晶化致密化得到超細(xì)等軸晶CoT12+超細(xì)等軸晶β-Ti基體結(jié)構(gòu)；Ⅲ)半固態(tài)區(qū)間,CoTi2相開始熔化被擠到β-Ti晶粒邊界呈板條狀,同時(shí)等軸晶β-Ti迅速長(zhǎng)大至微米晶；Ⅳ)冷卻過程,隨爐快速冷卻后,得到超細(xì)晶板條狀CoT12相沿著微米等軸晶β-Ti晶粒分布的雙尺度結(jié)構(gòu)。半固態(tài)溫度以上燒結(jié)樣品的性能顯著優(yōu)于常規(guī)燒結(jié)制備的樣品,且當(dāng)升溫速率為100℃/mmin,燒結(jié)溫度為1250℃,保溫5mmin時(shí)樣品的性能最優(yōu),其屈服強(qiáng)度達(dá)到1562MPa,同時(shí)斷裂強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別達(dá)到了3011MPa和40.1%,這一性能超過了目前文獻(xiàn)報(bào)道的所有其他方法制備的高強(qiáng)韌雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金。其高塑性來源于韌性微米晶β-Ti在變形中為位錯(cuò)的增殖擴(kuò)展的貢獻(xiàn),高強(qiáng)度歸因于超細(xì)晶CoT12阻礙位錯(cuò)的擴(kuò)展從而使材料具備極高的加工硬化能力。隨后,鑒于Cu與Cr在多組元合金成分設(shè)計(jì)方面具有形成相結(jié)構(gòu)的相似性以及形成相熱物性的差異性,同時(shí)為了進(jìn)一步制備出新組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)化力學(xué)性能,本文采用相同半固態(tài)燒結(jié)工藝,對(duì)球磨90h后的Ti68.8Nb13.6Co6Cr5.1Al6.5非晶/納米晶復(fù)合粉末進(jìn)行燒結(jié)。經(jīng)過調(diào)節(jié)半固態(tài)燒結(jié)參數(shù)發(fā)現(xiàn),升溫速率為100℃C/min,燒結(jié)溫度為1250℃C,保溫5min時(shí)樣品的性能最優(yōu),該參數(shù)下制備的樣品微觀結(jié)構(gòu)為等軸粗晶β-Ti+超細(xì)晶板條CoTi2(部分為孿晶)+納米級(jí)針狀α'的三尺度結(jié)構(gòu),在整個(gè)燒結(jié)過程中,其組織演變過程和前述的雙尺度Ti68.8Nb13.6Co6Cr5.1Al6.5合金類似,區(qū)別在于冷卻過程中在微米等軸晶β-Ti基體中析出了納米針狀馬氏體α'。其屈服強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變和斷裂強(qiáng)度分別達(dá)到了1609MPa.40.1%和3139MPa,此性能高于前述制備的雙尺度結(jié)構(gòu)Ti68.8Nb13.6Co6Cr5.1Al6.5合金。其超高強(qiáng)度和塑性來源于韌性微米晶β-Ti為位錯(cuò)的增殖和滑移帶的擴(kuò)展提供足夠的空間以及硬相CoTi2和馬氏體對(duì)變形過程中位錯(cuò)的阻礙作用。最后,本文研究了球磨時(shí)間對(duì)半固態(tài)燒結(jié)合金組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響規(guī)律。通過將不同球磨時(shí)間的Ti68.8Nb13.6Co6Cu5.1Al6.5粉末分別進(jìn)行常規(guī)燒結(jié)和半固態(tài)燒結(jié),發(fā)現(xiàn)隨著球磨時(shí)間增加,粉末中非晶相含量不斷增加,粉末的半固態(tài)起始溫度逐漸降低,且均低于本文的半固態(tài)燒結(jié)溫度1250℃C。未球磨粉末常規(guī)燒結(jié)樣品微觀形貌由粗大的β-Ti(Nb)、AlNbTi2和極少量的CoTi2組成,樣品組織分布不均勻。球磨后粉末常規(guī)燒結(jié)制備的樣品微觀形貌均由超細(xì)等軸晶β-Ti基體+超細(xì)等軸晶CoTi2組成,兩相的晶粒尺寸隨著球磨時(shí)間增加而減小。且隨著球磨時(shí)間增加,常規(guī)燒結(jié)樣品的屈服強(qiáng)度增加,塑性降低。在半固態(tài)燒結(jié)條件下,未球磨粉末半固態(tài)燒結(jié)樣品由粗大微米等軸晶β-Ti和少量的納米板條CoTi2組成,而球磨后粉末半固態(tài)燒結(jié)制備的樣品均為微米等軸晶β-Ti基體+超細(xì)板條晶CoTi2組成的雙尺度結(jié)構(gòu),當(dāng)球磨時(shí)間達(dá)到90h,半固態(tài)燒結(jié)樣品基體β-Ti中出現(xiàn)納米針狀馬氏體α'。并且隨著球磨時(shí)間增加,樣品中CoTi2分布逐漸開始呈有序分布,且基體晶粒內(nèi)部的CoTi2逐漸消失,β-Ti晶粒尺寸逐漸降低。半固態(tài)燒結(jié)樣品的斷裂強(qiáng)度和塑性隨著球磨時(shí)間增加均不斷增大且所有半固態(tài)燒結(jié)樣品的強(qiáng)韌性均高于相應(yīng)球磨時(shí)間的常規(guī)燒結(jié)樣品。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TF125.22
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 引言
    1.2 納米晶/超細(xì)晶材料的研究進(jìn)展
        1.2.1 納米晶/超細(xì)晶材料的制備方法
        1.2.2 納米晶/超細(xì)晶材料的力學(xué)性能
    1.3 高強(qiáng)韌雙尺度合金的研究進(jìn)展
        1.3.1 熱機(jī)械處理法制備雙尺度合金
        1.3.2 粉末固結(jié)法制備雙尺度合金
        1.3.3 銅模鑄造法制備雙尺度鈦合金
    1.4 半固態(tài)粉末成形的研究進(jìn)展
    1.5 本論文的研究目的、研究意義和研究?jī)?nèi)容
        1.5.1 研究目的和意義
        1.5.2 研究?jī)?nèi)容
    1.6 課題來源
第二章 試驗(yàn)方法及研究方案
    2.1 試驗(yàn)的整體設(shè)計(jì)與材料成分選擇
        2.1.1 試驗(yàn)的整體設(shè)計(jì)
        2.1.2 材料成分的選擇
    2.2 非晶/納米晶復(fù)合粉末的制備與表征
        2.2.1 復(fù)合粉末的制備
        2.2.2 復(fù)合粉末的表征
    2.3 燒結(jié)塊體合金的制備與表征
        2.3.1 塊體合金的燒結(jié)制備
        2.3.2 塊體合金的表征
68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固態(tài)燒結(jié)制備及其強(qiáng)韌化機(jī)理'>第三章 新型雙尺度結(jié)構(gòu)Ti_68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固態(tài)燒結(jié)制備及其強(qiáng)韌化機(jī)理
    3.1 引言
    3.2 實(shí)驗(yàn)步驟
    3.3 結(jié)果與討論
        3.3.1 機(jī)械合金化制備非晶/納米晶復(fù)合粉末
        3.3.2 雙尺度結(jié)構(gòu)合金的半固態(tài)燒結(jié)制備及其組織性能分析
        3.3.3 雙尺度結(jié)構(gòu)合金的形成機(jī)理分析
        3.3.4 雙尺度結(jié)構(gòu)合金的斷裂機(jī)理分析
    3.4 本章結(jié)論
68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固態(tài)燒結(jié)制備及其強(qiáng)韌化機(jī)理'>第四章 新型雙尺度結(jié)構(gòu)Ti_68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固態(tài)燒結(jié)制備及其強(qiáng)韌化機(jī)理
    4.1 引言
    4.2 實(shí)驗(yàn)步驟
    4.3 結(jié)果與討論
        4.3.1 機(jī)械合金化制備非晶/納米晶復(fù)合粉末
        4.3.2 雙尺度結(jié)構(gòu)合金的半固態(tài)燒結(jié)制備及其組織性能分析
        4.3.3 雙尺度結(jié)構(gòu)合金的形成機(jī)理分析
        4.3.4 雙尺度結(jié)構(gòu)合金的裂機(jī)理分析
    4.4 本章結(jié)論
68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金組織性能的影響'>第五章 球磨時(shí)間對(duì)半固態(tài)燒結(jié)Ti_68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金組織性能的影響
    5.1 引言
    5.2 試驗(yàn)步驟
    5.3 結(jié)果與討論
        5.3.1 不同球磨時(shí)間粉末物性分析
        5.3.2 球磨時(shí)間對(duì)常規(guī)燒結(jié)合金組織性能的影響
        5.3.3 球磨時(shí)間對(duì)半固態(tài)燒結(jié)塊體組織性能的影響
    5.4 常規(guī)燒結(jié)與半固態(tài)燒結(jié)塊體組織性能的對(duì)比分析
        5.4.1 常規(guī)燒結(jié)和半固態(tài)燒結(jié)塊體組織的對(duì)比分析
        5.4.2 常規(guī)燒結(jié)和半固態(tài)燒結(jié)塊體性能的對(duì)比分析
    5.5 本章小結(jié)
全文結(jié)論
68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固態(tài)燒結(jié)制備及其強(qiáng)韌化機(jī)理'>    1. 新型雙尺度結(jié)構(gòu)Ti_68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固態(tài)燒結(jié)制備及其強(qiáng)韌化機(jī)理
68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固態(tài)燒結(jié)制備及其強(qiáng)韌化機(jī)理'>    2. 新型雙尺度結(jié)構(gòu)Ti_68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固態(tài)燒結(jié)制備及其強(qiáng)韌化機(jī)理
68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金組織性能的影響'>    3. 球磨時(shí)間對(duì)半固態(tài)燒結(jié)Ti_68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金組織性能的影響
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果
致謝
附件

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 康利梅;基于共晶轉(zhuǎn)變的雙尺度鈦合金：半固態(tài)燒結(jié)機(jī)制與組織性能調(diào)控[D];華南理工大學(xué);2017年

本文編號(hào)：2857301