制備出更高性能的新結構鈦合金,一直以來都是研究者們追求的目標。其中,探索不以犧牲塑性為代價的高強韌雙尺度/多尺度結構鈦合金,成為了國內(nèi)外研究者們共同關注的重要話題。近年來的研究表明,為實現(xiàn)鈦合金的高強韌化,其微觀結構除了要實現(xiàn)晶粒的細晶化、雙尺度和多尺度結構化外,還正朝著結構形態(tài)復合化等方向發(fā)展。有鑒于此,本文提出基于共晶轉變的半固態(tài)燒結(Semi-solid sintering,SSS)技術。即先通過機械合金化法制備非晶態(tài)/納米晶合金粉末,后采用放電等離子燒結技術固結非晶態(tài)/納米晶合金粉末,并于半固態(tài)溫度區(qū)間實現(xiàn)共晶雙尺度結構鈦合金的SSS制備。同時,通過調(diào)整合金的組元數(shù)、元素比例、非晶含量、SSS溫度等影響因素,使半固態(tài)的共晶液相呈現(xiàn)出多元素的高度密堆結構及局部原子重新錯配的長程有序結構,進而實現(xiàn)對冷卻后共晶層片組織的比例、形態(tài)、分布及尺度等微觀結構的調(diào)控,以期成功獲得超細/納米共晶雙尺度結構高強韌鈦合金。首先,基于Ti-Co共晶相圖,設計出理論上可發(fā)生?-Ti和Ti_2Co共晶反應的(Ti_(76.75)Co_(23.25))_(83)Fe_(17)合金,通過對SSS塊體合金的組織調(diào)控及性能優(yōu)化,將合金成分設計為具有更高非晶形成能力的四組元(Ti_(63.7)Fe_(17)Co_(19.3))_(87.8)Nb_(12.2)與五組元(Ti_(63.7)Fe_(17)Co_(19.3))_(82)Nb_(12.2)Al_(5.8)。通過SSS溫度、合金粉末球磨時間等參數(shù)調(diào)控,最終以球磨50h的五元系非晶粉末為原料于1080℃SSS制備出局部共晶結構鈦合金,其微觀組織為局部超細β-Ti和Ti(Fe,Co)層片共晶組織及球化的殘余β-Ti共同包圍等軸Ti_2(Co,Fe)相,其呈現(xiàn)出2315 MPa的壓縮斷裂強度、1580 MPa的屈服強度及30%的斷裂應變。然而,由于Fe和Co原子之間的固溶效應改變了晶相本來的物理化學特性,因而β-Ti和Ti_2Co之間的預設共晶反應被抑制,實際卻是β-Ti和基體內(nèi)少量Ti(Fe,Co)發(fā)生了亞共晶反應。隨后,基于Ti-Fe共晶相圖,將合金成分調(diào)整為基于β-Ti和Ti(Fe,Co)間共晶反應的(Ti70.56Fe29.44)90Co10→(Ti63.5Fe26.5Co10)87.8Nb12.2→(Ti63.5Fe26.5Co10)82Nb12.2Al5.8等合金體系。結果表明,在SSS過程中,多組元合金呈現(xiàn)出更加高度密堆結構的共晶液相,因而冷卻后形成更加細小的超細層片共晶基體。另外,不同SSS溫度制備的塊體合金具有相同的相組成及相含量,而經(jīng)1100℃燒結的試樣具有較1080℃與1150℃燒結試樣更細小、更均勻的層片共晶結構,使其具有更優(yōu)異的綜合力學性能。將優(yōu)化的最佳SSS溫度1100℃應用于不同球磨時間的五元系(Ti_(63.5)Fe_(26.5)Co_(10))_(82)Nb_(12.2)Al_(5.8)合金粉末,結果表明,隨著合金粉末球磨時間(非晶含量)增加,塊體合金組織結構呈現(xiàn)出由不規(guī)則無層片共晶→粗晶態(tài)少量層片共晶→細晶態(tài)胞狀共晶→納米/超細雙尺度典型層片共晶的演變規(guī)律。最終,以球磨45h的非晶粉為原料,成功制得由超細/納米層片β-Ti和Ti(Fe,Co)組成的完全共晶基體包圍微米級等軸狀Ti_2(Co,Fe)第二相的雙尺度鈦合金,其共晶層片間呈現(xiàn)出共格位向關系:(110)_(-Ti)‖(110)_(Ti(Fe,Co)),(11?0)_(-Ti)‖(11?0)_(Ti(Fe,Co)),(200)_(-Ti)‖(100)_(Ti(Fe,Co))。第三,通過對無共晶雙尺度結構鈦合金組織性能研究表明,其微觀結構主要由粗晶等軸狀β-Ti及分布于其晶界處的短棒狀Ti_2(Co,Fe)相組成,并呈現(xiàn)出遠低于共晶結構鈦合金的力學性能指標,這主要歸因于晶界的硬脆Ti_2(Co,Fe)相更易發(fā)生應力集中及微裂紋的萌生及擴展。通過對固態(tài)燒結、銅模鑄造、熱等靜壓制備的同成分鈦合金組織性能研究表明,固態(tài)燒結鈦合金微觀結構呈現(xiàn)出單一的等軸晶形態(tài),且綜合力學性能較差;銅模鑄造合金呈現(xiàn)出超細晶層片共晶基體包圍粗晶bcc-Ti相的結構特征,但因缺少硬質(zhì)粒子的第二相強化及層片間的共格強化效應,使其呈現(xiàn)出比SSS試樣更低的力學性能;對于熱等靜壓制備的合金,雖然呈現(xiàn)出與SSS試樣相似的微觀形貌,但因共晶液相難以平衡分布導致的晶粒粗大、局部相分布不均勻等因素影響,亦呈現(xiàn)出比SSS共晶結構鈦合金略差的綜合力學性能。這些對比研究結果表明,對于本論文的高強韌雙尺度鈦合金,SSS技術及其導致的超細/納米層片共晶組織是其高強韌的本質(zhì)原因。最后,結合非晶粉末的晶化、致密化機制及半固態(tài)形成機制,揭示了SSS形成雙尺度結構的原理。在連續(xù)升溫燒結條件下,雙尺度鈦合金的形成可分為五個階段:非晶粉末顆粒重排,非晶粉末致密化及晶化,晶化相晶粒長大,共晶反應及液相形成(半固態(tài)形成),以及快速冷卻后液相轉變?yōu)槌?納米層片共晶組織的同時、剩余固相保持其微米晶尺度,從而形成超細/納米層片共晶與微米晶共存的雙尺度結構。力學性能分析表明,(Ti_(63.5)Fe_(26.5)Co_(10))_(82)Nb_(12.2)Al_(5.8)雙尺度合金呈現(xiàn)出2897MPa的壓縮斷裂強度、2050MPa的屈服強度、23%的斷裂應變,以及920 MPa的拉伸斷裂強度與1.6%的拉伸斷裂應變。這表明該合金基本實現(xiàn)了強度及塑性的同步提升,其綜合力學性能優(yōu)于目前文獻報道的同類鈦合金。共晶雙尺度結構鈦合金的強韌化機理主要表現(xiàn)在三個方面:首先,幾何密堆結構的有序Ti(Fe,Co)相中超位錯可成對產(chǎn)生并滑移,且新舊反相疇界的形成與湮滅、以及交滑移的發(fā)生,使得Ti(Fe,Co)相內(nèi)原子以位錯的形式,重復以有序?無序接力方式運動,從而產(chǎn)生了Ti(Fe,Co)相的有序強化;其次,基于共格強化理論發(fā)現(xiàn),層片共晶含量的多少、層片的長度皆可影響合金的綜合力學性能,計算發(fā)現(xiàn)SSS超細層片共晶結構因其具有較高的臨界剪切應力,使其呈現(xiàn)出很強的共格強化效應,具體表現(xiàn)在共格界面的趨于穩(wěn)態(tài)自強化效應、堆積于晶界的大量位錯及斷口中的拉長、撕裂棱特征;最后,彌散等軸狀Ti_2(Co,Fe)硬質(zhì)粒子,能使其周圍的位錯繞過并產(chǎn)生大量位錯環(huán),從而增加其周圍的流變應力,使其通過碎裂甚至剝落來達到強化效果。此外,合金中的應力誘發(fā)Laves相原位共格析出的強化作用也至關重要。本文提出的基于共晶轉變的SSS技術可為制備新型高強韌雙尺度結構鈦合金提供一種新途徑,其成分設計、組織及性能調(diào)控理念亦可為高性能復合結構金屬材料的開發(fā)提供有價值的理論借鑒意義,并有望將半固態(tài)加工技術應用到高熔點合金中。
【學位單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TF125.22
【部分圖文】：

不同β相穩(wěn)定元素下的鈦合金類型[2]

圖 1-2 具有不同含量 β 相穩(wěn)定元素的合金熱處理相圖[56]ent phase diagram of titanium alloys with different contents o金的研究現(xiàn)狀以來，作為一類重要工程應用化材料得高強高韌結在軍事、航空航天、海運等領域大范圍的應用。 合金[67]，因其耐熱性、高強高塑性、可焊接性、耐有鈦及鈦合金中的“金牌合金”。目前，該合金的生80%，其它的鈦合金大部分都是基于 Ti-6Al-4V 合金命結構鈦合金的日益增加的需求，以及損傷容限設的強度與韌性的綜合性的提升面臨日益急迫的趨勢謂的高強韌鈦合金，即抗拉強度大于 1000MPa，[1, 5, 69]

圖 1-3 半固態(tài)加工工藝流程圖[32]Fig.1-3 Process flow diagram of semi-solid processing技術術[81]指的是燒結過程有液相產(chǎn)生，即粉末燒結體是由低要求將燒結溫度升至燒結體中低熔點組元的熔點以上，為四類：① 瞬時液相燒結，在燒結初期出現(xiàn)液相，后液相燒結，燒結過程始終存在液相（取決于低熔點組）；③ 熔浸，低熔點金屬滲入骨架后的液相燒結；④顆粒內(nèi)形成，是一種在微區(qū)范圍內(nèi)更為均勻的燒結過傳統(tǒng)固態(tài)燒結相比，加快了原子遷移速度，使得燒結速粒重排；且晶粒尺寸可以通過調(diào)控液相燒結工藝參數(shù)得

本文編號：2879959