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

发布时间：2020-11-12 00:17

　　 制备出更高性能的新结构钛合金,一直以来都是研究者们追求的目标。其中,探索不以牺牲塑性为代价的高强韧双尺度/多尺度结构钛合金,成为了国内外研究者们共同关注的重要话题。近年来的研究表明,为实现钛合金的高强韧化,其微观结构除了要实现晶粒的细晶化、双尺度和多尺度结构化外,还正朝着结构形态复合化等方向发展。有鉴于此,本文提出基于共晶转变的半固态烧结(Semi-solid sintering,SSS)技术。即先通过机械合金化法制备非晶态/纳米晶合金粉末,后采用放电等离子烧结技术固结非晶态/纳米晶合金粉末,并于半固态温度区间实现共晶双尺度结构钛合金的SSS制备。同时,通过调整合金的组元数、元素比例、非晶含量、SSS温度等影响因素,使半固态的共晶液相呈现出多元素的高度密堆结构及局部原子重新错配的长程有序结构,进而实现对冷却后共晶层片组织的比例、形态、分布及尺度等微观结构的调控,以期成功获得超细/纳米共晶双尺度结构高强韧钛合金。首先,基于Ti-Co共晶相图,设计出理论上可发生?-Ti和Ti_2Co共晶反应的(Ti_(76.75)Co_(23.25))_(83)Fe_(17)合金,通过对SSS块体合金的组织调控及性能优化,将合金成分设计为具有更高非晶形成能力的四组元(Ti_(63.7)Fe_(17)Co_(19.3))_(87.8)Nb_(12.2)与五组元(Ti_(63.7)Fe_(17)Co_(19.3))_(82)Nb_(12.2)Al_(5.8)。通过SSS温度、合金粉末球磨时间等参数调控,最终以球磨50h的五元系非晶粉末为原料于1080℃SSS制备出局部共晶结构钛合金,其微观组织为局部超细β-Ti和Ti(Fe,Co)层片共晶组织及球化的残余β-Ti共同包围等轴Ti_2(Co,Fe)相,其呈现出2315 MPa的压缩断裂强度、1580 MPa的屈服强度及30%的断裂应变。然而,由于Fe和Co原子之间的固溶效应改变了晶相本来的物理化学特性,因而β-Ti和Ti_2Co之间的预设共晶反应被抑制,实际却是β-Ti和基体内少量Ti(Fe,Co)发生了亚共晶反应。随后,基于Ti-Fe共晶相图,将合金成分调整为基于β-Ti和Ti(Fe,Co)间共晶反应的(Ti70.56Fe29.44)90Co10→(Ti63.5Fe26.5Co10)87.8Nb12.2→(Ti63.5Fe26.5Co10)82Nb12.2Al5.8等合金体系。结果表明,在SSS过程中,多组元合金呈现出更加高度密堆结构的共晶液相,因而冷却后形成更加细小的超细层片共晶基体。另外,不同SSS温度制备的块体合金具有相同的相组成及相含量,而经1100℃烧结的试样具有较1080℃与1150℃烧结试样更细小、更均匀的层片共晶结构,使其具有更优异的综合力学性能。将优化的最佳SSS温度1100℃应用于不同球磨时间的五元系(Ti_(63.5)Fe_(26.5)Co_(10))_(82)Nb_(12.2)Al_(5.8)合金粉末,结果表明,随着合金粉末球磨时间(非晶含量)增加,块体合金组织结构呈现出由不规则无层片共晶→粗晶态少量层片共晶→细晶态胞状共晶→纳米/超细双尺度典型层片共晶的演变规律。最终,以球磨45h的非晶粉为原料,成功制得由超细/纳米层片β-Ti和Ti(Fe,Co)组成的完全共晶基体包围微米级等轴状Ti_2(Co,Fe)第二相的双尺度钛合金,其共晶层片间呈现出共格位向关系:(110)_(-Ti)‖(110)_(Ti(Fe,Co)),(11?0)_(-Ti)‖(11?0)_(Ti(Fe,Co)),(200)_(-Ti)‖(100)_(Ti(Fe,Co))。第三,通过对无共晶双尺度结构钛合金组织性能研究表明,其微观结构主要由粗晶等轴状β-Ti及分布于其晶界处的短棒状Ti_2(Co,Fe)相组成,并呈现出远低于共晶结构钛合金的力学性能指标,这主要归因于晶界的硬脆Ti_2(Co,Fe)相更易发生应力集中及微裂纹的萌生及扩展。通过对固态烧结、铜模铸造、热等静压制备的同成分钛合金组织性能研究表明,固态烧结钛合金微观结构呈现出单一的等轴晶形态,且综合力学性能较差;铜模铸造合金呈现出超细晶层片共晶基体包围粗晶bcc-Ti相的结构特征,但因缺少硬质粒子的第二相强化及层片间的共格强化效应,使其呈现出比SSS试样更低的力学性能;对于热等静压制备的合金,虽然呈现出与SSS试样相似的微观形貌,但因共晶液相难以平衡分布导致的晶粒粗大、局部相分布不均匀等因素影响,亦呈现出比SSS共晶结构钛合金略差的综合力学性能。这些对比研究结果表明,对于本论文的高强韧双尺度钛合金,SSS技术及其导致的超细/纳米层片共晶组织是其高强韧的本质原因。最后,结合非晶粉末的晶化、致密化机制及半固态形成机制,揭示了SSS形成双尺度结构的原理。在连续升温烧结条件下,双尺度钛合金的形成可分为五个阶段:非晶粉末颗粒重排,非晶粉末致密化及晶化,晶化相晶粒长大,共晶反应及液相形成(半固态形成),以及快速冷却后液相转变为超细/纳米层片共晶组织的同时、剩余固相保持其微米晶尺度,从而形成超细/纳米层片共晶与微米晶共存的双尺度结构。力学性能分析表明,(Ti_(63.5)Fe_(26.5)Co_(10))_(82)Nb_(12.2)Al_(5.8)双尺度合金呈现出2897MPa的压缩断裂强度、2050MPa的屈服强度、23%的断裂应变,以及920 MPa的拉伸断裂强度与1.6%的拉伸断裂应变。这表明该合金基本实现了强度及塑性的同步提升,其综合力学性能优于目前文献报道的同类钛合金。共晶双尺度结构钛合金的强韧化机理主要表现在三个方面:首先,几何密堆结构的有序Ti(Fe,Co)相中超位错可成对产生并滑移,且新旧反相畴界的形成与湮灭、以及交滑移的发生,使得Ti(Fe,Co)相内原子以位错的形式,重复以有序?无序接力方式运动,从而产生了Ti(Fe,Co)相的有序强化;其次,基于共格强化理论发现,层片共晶含量的多少、层片的长度皆可影响合金的综合力学性能,计算发现SSS超细层片共晶结构因其具有较高的临界剪切应力,使其呈现出很强的共格强化效应,具体表现在共格界面的趋于稳态自强化效应、堆积于晶界的大量位错及断口中的拉长、撕裂棱特征;最后,弥散等轴状Ti_2(Co,Fe)硬质粒子,能使其周围的位错绕过并产生大量位错环,从而增加其周围的流变应力,使其通过碎裂甚至剥落来达到强化效果。此外,合金中的应力诱发Laves相原位共格析出的强化作用也至关重要。本文提出的基于共晶转变的SSS技术可为制备新型高强韧双尺度结构钛合金提供一种新途径,其成分设计、组织及性能调控理念亦可为高性能复合结构金属材料的开发提供有价值的理论借鉴意义,并有望将半固态加工技术应用到高熔点合金中。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TF125.22
【部分图文】：

不同β相稳定元素下的钛合金类型[2]

图 1-2 具有不同含量 β 相稳定元素的合金热处理相图[56]ent phase diagram of titanium alloys with different contents o金的研究现状以来，作为一类重要工程应用化材料得高强高韧结在军事、航空航天、海运等领域大范围的应用。 合金[67]，因其耐热性、高强高塑性、可焊接性、耐有钛及钛合金中的“金牌合金”。目前，该合金的生80%，其它的钛合金大部分都是基于 Ti-6Al-4V 合金命结构钛合金的日益增加的需求，以及损伤容限设的强度与韧性的综合性的提升面临日益急迫的趋势谓的高强韧钛合金，即抗拉强度大于 1000MPa，[1, 5, 69]

图 1-3 半固态加工工艺流程图[32]Fig.1-3 Process flow diagram of semi-solid processing技术术[81]指的是烧结过程有液相产生，即粉末烧结体是由低要求将烧结温度升至烧结体中低熔点组元的熔点以上，为四类：① 瞬时液相烧结，在烧结初期出现液相，后液相烧结，烧结过程始终存在液相（取决于低熔点组）；③ 熔浸，低熔点金属渗入骨架后的液相烧结；④颗粒内形成，是一种在微区范围内更为均匀的烧结过传统固态烧结相比，加快了原子迁移速度，使得烧结速粒重排；且晶粒尺寸可以通过调控液相烧结工艺参数得

本文编号：2879959