新型双尺度结构钛合金的半固态烧结制备及其强韧化机理

发布时间：2020-10-26 17:39

　　 改进或引进新的制备工艺,并控制微观组织结构(相的种类、晶粒尺度、形态及分布),一直以来被大多数研究人员视为提高钛合金强韧性最有效的两大途径。通过在超细晶/纳米晶中引入粗晶来得到双尺度结构从而提高材料强韧性,近年来引起了科研工作者的广泛关注。采用铜模铸造法制备纳米晶基体+微米树枝晶β-Ti的双尺度高强韧结构钛合金的研究已经持续十余年,本课题组前期采用与铜模铸造法中的钛合金体系相似的合金成分,基于非晶晶化理论,通过机械合金化+放电等离子烧结工艺成功制备了一系列双相等轴超细晶复合结构的高强韧钛合金,综合性能优于铜模铸造法钛合金。基于以上两种方法的原理,本论文在课题组非晶晶化法的基础上创新地提出了一种非晶复合粉末的半固态烧结方法,选用Ti68.8Nb13.6Co6Cr5.1Al6.5和Ti68.8Nb13.6Co6Cu5.1Al6.5合金成分为研究对象,探究能否在粉末的半固态温度区间调整工艺来制备新型的双尺度结构钛合金,进而得到更高的强韧性,重点研究新型结构钛合金的组织转变机理及其强韧化机理,并进一步研究了球磨时间对半固态烧结钛合金组织性能的影响规律。首先,通过机械合金化球磨90h后得到了Ti68.8Nb13.6Co6Cr5.1Al6.5非晶/纳米晶复合粉末,DSC和高温原位XRD测试表明非晶复合粉末的半固态区间起始温度为1210℃。通过对比不同参数下半固态烧结制备的样品发现,当烧结温度为1250℃时可得到一种微米等轴晶β-Ti+超细板条晶CoTi2的双尺度结构,在整个烧结过程中其组织演变经过了以下四个过程：Ⅰ)粉末重排；Ⅱ)非晶晶化致密化得到超细等轴晶CoT12+超细等轴晶β-Ti基体结构；Ⅲ)半固态区间,CoTi2相开始熔化被挤到β-Ti晶粒边界呈板条状,同时等轴晶β-Ti迅速长大至微米晶；Ⅳ)冷却过程,随炉快速冷却后,得到超细晶板条状CoT12相沿着微米等轴晶β-Ti晶粒分布的双尺度结构。半固态温度以上烧结样品的性能显著优于常规烧结制备的样品,且当升温速率为100℃/mmin,烧结温度为1250℃,保温5mmin时样品的性能最优,其屈服强度达到1562MPa,同时断裂强度和断裂应变分别达到了3011MPa和40.1%,这一性能超过了目前文献报道的所有其他方法制备的高强韧双尺度结构钛合金。其高塑性来源于韧性微米晶β-Ti在变形中为位错的增殖扩展的贡献,高强度归因于超细晶CoT12阻碍位错的扩展从而使材料具备极高的加工硬化能力。随后,鉴于Cu与Cr在多组元合金成分设计方面具有形成相结构的相似性以及形成相热物性的差异性,同时为了进一步制备出新组织结构和优化力学性能,本文采用相同半固态烧结工艺,对球磨90h后的Ti68.8Nb13.6Co6Cr5.1Al6.5非晶/纳米晶复合粉末进行烧结。经过调节半固态烧结参数发现,升温速率为100℃C/min,烧结温度为1250℃C,保温5min时样品的性能最优,该参数下制备的样品微观结构为等轴粗晶β-Ti+超细晶板条CoTi2(部分为孪晶)+纳米级针状α'的三尺度结构,在整个烧结过程中,其组织演变过程和前述的双尺度Ti68.8Nb13.6Co6Cr5.1Al6.5合金类似,区别在于冷却过程中在微米等轴晶β-Ti基体中析出了纳米针状马氏体α'。其屈服强度、断裂应变和断裂强度分别达到了1609MPa.40.1%和3139MPa,此性能高于前述制备的双尺度结构Ti68.8Nb13.6Co6Cr5.1Al6.5合金。其超高强度和塑性来源于韧性微米晶β-Ti为位错的增殖和滑移带的扩展提供足够的空间以及硬相CoTi2和马氏体对变形过程中位错的阻碍作用。最后,本文研究了球磨时间对半固态烧结合金组织结构和力学性能的影响规律。通过将不同球磨时间的Ti68.8Nb13.6Co6Cu5.1Al6.5粉末分别进行常规烧结和半固态烧结,发现随着球磨时间增加,粉末中非晶相含量不断增加,粉末的半固态起始温度逐渐降低,且均低于本文的半固态烧结温度1250℃C。未球磨粉末常规烧结样品微观形貌由粗大的β-Ti(Nb)、AlNbTi2和极少量的CoTi2组成,样品组织分布不均匀。球磨后粉末常规烧结制备的样品微观形貌均由超细等轴晶β-Ti基体+超细等轴晶CoTi2组成,两相的晶粒尺寸随着球磨时间增加而减小。且随着球磨时间增加,常规烧结样品的屈服强度增加,塑性降低。在半固态烧结条件下,未球磨粉末半固态烧结样品由粗大微米等轴晶β-Ti和少量的纳米板条CoTi2组成,而球磨后粉末半固态烧结制备的样品均为微米等轴晶β-Ti基体+超细板条晶CoTi2组成的双尺度结构,当球磨时间达到90h,半固态烧结样品基体β-Ti中出现纳米针状马氏体α'。并且随着球磨时间增加,样品中CoTi2分布逐渐开始呈有序分布,且基体晶粒内部的CoTi2逐渐消失,β-Ti晶粒尺寸逐渐降低。半固态烧结样品的断裂强度和塑性随着球磨时间增加均不断增大且所有半固态烧结样品的强韧性均高于相应球磨时间的常规烧结样品。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TF125.22
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 纳米晶/超细晶材料的研究进展
        1.2.1 纳米晶/超细晶材料的制备方法
        1.2.2 纳米晶/超细晶材料的力学性能
    1.3 高强韧双尺度合金的研究进展
        1.3.1 热机械处理法制备双尺度合金
        1.3.2 粉末固结法制备双尺度合金
        1.3.3 铜模铸造法制备双尺度钛合金
    1.4 半固态粉末成形的研究进展
    1.5 本论文的研究目的、研究意义和研究内容
        1.5.1 研究目的和意义
        1.5.2 研究内容
    1.6 课题来源
第二章 试验方法及研究方案
    2.1 试验的整体设计与材料成分选择
        2.1.1 试验的整体设计
        2.1.2 材料成分的选择
    2.2 非晶/纳米晶复合粉末的制备与表征
        2.2.1 复合粉末的制备
        2.2.2 复合粉末的表征
    2.3 烧结块体合金的制备与表征
        2.3.1 块体合金的烧结制备
        2.3.2 块体合金的表征
68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固态烧结制备及其强韧化机理'>第三章 新型双尺度结构Ti_68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固态烧结制备及其强韧化机理
    3.1 引言
    3.2 实验步骤
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 机械合金化制备非晶/纳米晶复合粉末
        3.3.2 双尺度结构合金的半固态烧结制备及其组织性能分析
        3.3.3 双尺度结构合金的形成机理分析
        3.3.4 双尺度结构合金的断裂机理分析
    3.4 本章结论
68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固态烧结制备及其强韧化机理'>第四章 新型双尺度结构Ti_68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固态烧结制备及其强韧化机理
    4.1 引言
    4.2 实验步骤
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 机械合金化制备非晶/纳米晶复合粉末
        4.3.2 双尺度结构合金的半固态烧结制备及其组织性能分析
        4.3.3 双尺度结构合金的形成机理分析
        4.3.4 双尺度结构合金的裂机理分析
    4.4 本章结论
68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金组织性能的影响'>第五章 球磨时间对半固态烧结Ti_68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金组织性能的影响
    5.1 引言
    5.2 试验步骤
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 不同球磨时间粉末物性分析
        5.3.2 球磨时间对常规烧结合金组织性能的影响
        5.3.3 球磨时间对半固态烧结块体组织性能的影响
    5.4 常规烧结与半固态烧结块体组织性能的对比分析
        5.4.1 常规烧结和半固态烧结块体组织的对比分析
        5.4.2 常规烧结和半固态烧结块体性能的对比分析
    5.5 本章小结
全文结论
68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固态烧结制备及其强韧化机理'>    1. 新型双尺度结构Ti_68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固态烧结制备及其强韧化机理
68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固态烧结制备及其强韧化机理'>    2. 新型双尺度结构Ti_68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金的半固态烧结制备及其强韧化机理
68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金组织性能的影响'>    3. 球磨时间对半固态烧结Ti_68.8Nb_13.6Co₆Cu_5.1Al_6.5合金组织性能的影响
参考文献
攻读硕士学位期间取得的研究成果
致谢
附件

【引证文献】

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1 康利梅;基于共晶转变的双尺度钛合金：半固态烧结机制与组织性能调控[D];华南理工大学;2017年

本文编号：2857301