制備出更高性能的新結(jié)構(gòu)鈦合金,一直以來都是研究者們追求的目標(biāo)。其中,探索不以犧牲塑性為代價(jià)的高強(qiáng)韌雙尺度/多尺度結(jié)構(gòu)鈦合金,成為了國內(nèi)外研究者們共同關(guān)注的重要話題。近年來的研究表明,為實(shí)現(xiàn)鈦合金的高強(qiáng)韌化,其微觀結(jié)構(gòu)除了要實(shí)現(xiàn)晶粒的細(xì)晶化、雙尺度和多尺度結(jié)構(gòu)化外,還正朝著結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)合化等方向發(fā)展。有鑒于此,本文提出基于共晶轉(zhuǎn)變的半固態(tài)燒結(jié)(Semi-solid sintering,SSS)技術(shù)。即先通過機(jī)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(jié)技術(shù)固結(jié)非晶態(tài)/納米晶合金粉末,并于半固態(tài)溫度區(qū)間實(shí)現(xiàn)共晶雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金的SSS制備。同時(shí),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(jié)構(gòu)及局部原子重新錯(cuò)配的長程有序結(jié)構(gòu),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻后共晶層片組織的比例、形態(tài)、分布及尺度等微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控,以期成功獲得超細(xì)/納米共晶雙尺度結(jié)構(gòu)高強(qiáng)韌鈦合金。首先,基于Ti-Co共晶相圖,設(shè)計(jì)出理論上可發(fā)生?-Ti和Ti_2Co共晶反應(yīng)的(Ti_(76.75)Co_(23.25))_(83)Fe_(17)合金,通過對(duì)SSS塊體合金的組織調(diào)控及性能優(yōu)化,將合金成分設(shè)計(jì)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(shí)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(jié)構(gòu)鈦合金,其微觀組織為局部超細(xì)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(qiáng)度、1580 MPa的屈服強(qiáng)度及30%的斷裂應(yīng)變。然而,由于Fe和Co原子之間的固溶效應(yīng)改變了晶相本來的物理化學(xué)特性,因而β-Ti和Ti_2Co之間的預(yù)設(shè)共晶反應(yīng)被抑制,實(shí)際卻是β-Ti和基體內(nèi)少量Ti(Fe,Co)發(fā)生了亞共晶反應(yīng)。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(yīng)的(Ti70.56Fe29.44)90Co10→(Ti63.5Fe26.5Co10)87.8Nb12.2→(Ti63.5Fe26.5Co10)82Nb12.2Al5.8等合金體系。結(jié)果表明,在SSS過程中,多組元合金呈現(xiàn)出更加高度密堆結(jié)構(gòu)的共晶液相,因而冷卻后形成更加細(xì)小的超細(xì)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(jié)的試樣具有較1080℃與1150℃燒結(jié)試樣更細(xì)小、更均勻的層片共晶結(jié)構(gòu),使其具有更優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。將優(yōu)化的最佳SSS溫度1100℃應(yīng)用于不同球磨時(shí)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(jié)果表明,隨著合金粉末球磨時(shí)間(非晶含量)增加,塊體合金組織結(jié)構(gòu)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(xì)晶態(tài)胞狀共晶→納米/超細(xì)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(xì)/納米層片β-Ti和Ti(Fe,Co)組成的完全共晶基體包圍微米級(jí)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(guān)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(duì)無共晶雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金組織性能研究表明,其微觀結(jié)構(gòu)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(yuǎn)低于共晶結(jié)構(gòu)鈦合金的力學(xué)性能指標(biāo),這主要?dú)w因于晶界的硬脆Ti_2(Co,Fe)相更易發(fā)生應(yīng)力集中及微裂紋的萌生及擴(kuò)展。通過對(duì)固態(tài)燒結(jié)、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(jié)鈦合金微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出單一的等軸晶形態(tài),且綜合力學(xué)性能較差;銅模鑄造合金呈現(xiàn)出超細(xì)晶層片共晶基體包圍粗晶bcc-Ti相的結(jié)構(gòu)特征,但因缺少硬質(zhì)粒子的第二相強(qiáng)化及層片間的共格強(qiáng)化效應(yīng),使其呈現(xiàn)出比SSS試樣更低的力學(xué)性能;對(duì)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(dǎo)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(jié)構(gòu)鈦合金略差的綜合力學(xué)性能。這些對(duì)比研究結(jié)果表明,對(duì)于本論文的高強(qiáng)韌雙尺度鈦合金,SSS技術(shù)及其導(dǎo)致的超細(xì)/納米層片共晶組織是其高強(qiáng)韌的本質(zhì)原因。最后,結(jié)合非晶粉末的晶化、致密化機(jī)制及半固態(tài)形成機(jī)制,揭示了SSS形成雙尺度結(jié)構(gòu)的原理。在連續(xù)升溫?zé)Y(jié)條件下,雙尺度鈦合金的形成可分為五個(gè)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(yīng)及液相形成(半固態(tài)形成),以及快速冷卻后液相轉(zhuǎn)變?yōu)槌?xì)/納米層片共晶組織的同時(shí)、剩余固相保持其微米晶尺度,從而形成超細(xì)/納米層片共晶與微米晶共存的雙尺度結(jié)構(gòu)。力學(xué)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(qiáng)度、2050MPa的屈服強(qiáng)度、23%的斷裂應(yīng)變,以及920 MPa的拉伸斷裂強(qiáng)度與1.6%的拉伸斷裂應(yīng)變。這表明該合金基本實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度及塑性的同步提升,其綜合力學(xué)性能優(yōu)于目前文獻(xiàn)報(bào)道的同類鈦合金。共晶雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金的強(qiáng)韌化機(jī)理主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:首先,幾何密堆結(jié)構(gòu)的有序Ti(Fe,Co)相中超位錯(cuò)可成對(duì)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(cuò)的形式,重復(fù)以有序?無序接力方式運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生了Ti(Fe,Co)相的有序強(qiáng)化;其次,基于共格強(qiáng)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(xué)性能,計(jì)算發(fā)現(xiàn)SSS超細(xì)層片共晶結(jié)構(gòu)因其具有較高的臨界剪切應(yīng)力,使其呈現(xiàn)出很強(qiáng)的共格強(qiáng)化效應(yīng),具體表現(xiàn)在共格界面的趨于穩(wěn)態(tài)自強(qiáng)化效應(yīng)、堆積于晶界的大量位錯(cuò)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(cuò)繞過并產(chǎn)生大量位錯(cuò)環(huán),從而增加其周圍的流變應(yīng)力,使其通過碎裂甚至剝落來達(dá)到強(qiáng)化效果。此外,合金中的應(yīng)力誘發(fā)Laves相原位共格析出的強(qiáng)化作用也至關(guān)重要。本文提出的基于共晶轉(zhuǎn)變的SSS技術(shù)可為制備新型高強(qiáng)韌雙尺度結(jié)構(gòu)鈦合金提供一種新途徑,其成分設(shè)計(jì)、組織及性能調(diào)控理念亦可為高性能復(fù)合結(jié)構(gòu)金屬材料的開發(fā)提供有價(jià)值的理論借鑒意義,并有望將半固態(tài)加工技術(shù)應(yīng)用到高熔點(diǎn)合金中。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)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(yīng)用化材料得高強(qiáng)高韌結(jié)在軍事、航空航天、海運(yùn)等領(lǐng)域大范圍的應(yīng)用。 合金[67]，因其耐熱性、高強(qiáng)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(jié)構(gòu)鈦合金的日益增加的需求，以及損傷容限設(shè)的強(qiáng)度與韌性的綜合性的提升面臨日益急迫的趨勢謂的高強(qiáng)韌鈦合金，即抗拉強(qiáng)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(shù)術(shù)[81]指的是燒結(jié)過程有液相產(chǎn)生，即粉末燒結(jié)體是由低要求將燒結(jié)溫度升至燒結(jié)體中低熔點(diǎn)組元的熔點(diǎn)以上，為四類：① 瞬時(shí)液相燒結(jié)，在燒結(jié)初期出現(xiàn)液相，后液相燒結(jié)，燒結(jié)過程始終存在液相（取決于低熔點(diǎn)組）；③ 熔浸，低熔點(diǎn)金屬滲入骨架后的液相燒結(jié)；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(jié)過傳統(tǒng)固態(tài)燒結(jié)相比，加快了原子遷移速度，使得燒結(jié)速粒重排；且晶粒尺寸可以通過調(diào)控液相燒結(jié)工藝參數(shù)得

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