一種基于共晶轉變的多尺度雙態結構鈦合金及制備與應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于合金加工技術領域，具體涉及一種基于共晶轉變的多尺度雙態結構鈦 合金及制備與應用。
【背景技術】
[0002] 作為一種新型的先進輕量化金屬結構材料，鈦合金具有低密度、高強度、高塑性和 高斷裂韌性、良好的耐腐蝕性及生物相容性等優異的性能，廣泛應用于航空、航天、機械、國 防裝備、化工、船舶、醫療、能源等領域。然而，作為一種重要工程結構材料，現代工業的快速 發展對鈦合金材料的使用溫度及強度要求不斷提高，因此，設計制備出更高強韌性且工藝 簡單、生產成本較低的鈦合金以滿足更苛刻條件下的應用，一直以來都是研究者們追求的 目標。國家多個重點工程和重大科技專項的"輕質高強金屬結構材料"專題，都與高強韌鈦 合金密切相關。有效改進鈦合金的制備工藝，并精確控制其微觀結構（相種類、尺度、形態 及其分布），一直被大多數研究者們視為改善鈦合金強韌性的最行之有效的兩大途徑。 [0003]目前，常見的高強韌鈦合金微觀結構主要包括：（1)納米晶基體+延性β相微米 樹枝晶的雙尺度復合結構；（2)非晶基體+延性β相微米樹枝晶的雙尺度復合結構；(3)等 軸超細晶基體+等軸超細晶第二相的復合結構；(4)超細板條狀結構；(5)等軸超細晶基體 +微米層片的雙尺度結構；(6)納米晶基體+樹枝狀微米晶的雙尺度結構；（7)超細晶基體 +微米晶的雙尺度結構；(8)納米晶基體+微米晶的雙尺度結構。然而，這些高強韌鈦合金 主要通過鑄造加后續熱處理的工藝制得，制備工藝復雜，成本相對較高。同時，由于這些鈦 合金微觀組織由多種物相機械組合而成，其屈服強度范圍主要集中在1300-1800MPa。事實 上，在實際工程應用中，與斷裂強度、斷裂韌性相比，材料的屈服強度是一項更重要的性能 指標。因此，若能通過選擇合適的合金成分、材料成形方法及其工藝參數，制備出具有更高 屈服強度的高強韌新結構鈦合金，將具有非常重要的科學和工程意義。
[0004] 近年來，隨著學科的交叉與融合，一系列結合擠壓、鍛造和乳制等粉末固結工藝的 半固態加工工藝應運而生。然而，迄今為止，半固態加工工藝主要集中于鋁合金、鎂合金等 低熔點合金體系。且現有半固態加工工藝中必需的半固態漿料或坯料的制備工序比較復 雜，難以制備出高熔點金屬合金的半固態漿料，這極大程度上限制了半固態加工工藝技術 潛力的發揮，制約了相關該技術合金體系的應用范圍，此外，現有半固態加工工藝制備的合 金材料微觀結構晶粒都非常粗大（通常為幾十微米以上），難以獲得超細晶或納米晶等晶 粒細化的微觀結構，更不可能制備出雙尺度或多尺度結構。
[0005] 粉末冶金作為一種替代成形技術，具有制備的材料成分均勻、材料利用率高、近凈 成形等特點，且容易制備超細晶/納米晶結構的高強韌合金，常用于制備較大尺寸、高強 韌、復雜形狀的合金零部件。尤其是，作為一種新型的粉末活化燒結工藝，放電等離子燒結 (SparkPlasmaSintering，SPS)是一種強電場、應力場和溫度場等三場作用下的成形固結 方法，與傳統的熱壓、熱等靜壓和無壓燒結相比，具有更明顯的優勢：燒結溫度低、燒結時間 短（只需幾分鐘）、升溫和降溫速率快（可提供高達幾百K/min的升溫和冷卻速率）、可以 有效抑制晶粒長大、燒結與熱處理一體化、生產效率高，特別是，SPS脈沖電流經過粉末顆粒 之間會產生放電等離子、放電沖擊力、焦耳熱和電場擴散效應等效應，可獲得近全致密的塊 狀合金。
[0006] 基于合金材料的共晶轉變原理，由共晶轉變表達式?·<_ΗΧ+β可以想到：當多元體 系鈦合金升溫到適當的溫度范圍時，若多相中的某兩相優先發生共晶轉變為液相，從而整 個系統將會出現液相和剩余固相共存的狀態，或者說，將實現合金的半固態。這種半固態金 屬的形成機理、微觀結構及其制備工藝將不同于利用目前半固態加工工藝獲得的半固態， 由于共晶轉變溫度大幅低于單個固相和合金體系的熔點，故這種半固態金屬更易于在高熔 點合金（如鈦合金）體系中得到實現。
[0007]因此，將粉末固結工藝與共晶轉變理論結合，制定一種跨越傳統粉末固結技術的 新型半固態加工工藝，在鈦合金中制備出新型多尺度復合化微觀結構，將為開發新型高屈 月艮、高強韌、高熔點鈦合金材料及其滿足工業應用的復雜形狀工程零件，提供一種新型的制 備方法。
【發明內容】
[0008] 為了解決以上現有技術的缺點和不足之處，本發明的首要目的在于提供一種基于 共晶轉變的多尺度雙態結構鈦合金。
[0009] 本發明的另一目的在于提供上述基于共晶轉變的多尺度雙態結構鈦合金的制備 方法。
[0010] 本發明的再一目的在于提供上述基于共晶轉變的多尺度雙態結構鈦合金在航天 航空、兵器、體育器材等領域中的應用。
[0011] 本發明目的通過以下技術方案實現：
[0012] -種基于共晶轉變的多尺度雙態結構鈦合金，所述多尺度雙態結構鈦合金由以下 原子百分比的元素組成：Ti52.5 ~62at.%，Nb10.0 ~14.1at.%，Fe5.5~21.5at·%， Co8~16. 3at. %，A1 5. 8~6. 7at. %，以及不可避免的微量雜質；其微觀結構包括納米晶 和超細晶的層片狀共晶組織基體，以及微米尺寸的等軸晶第二相。
[0013] 所述的納米晶和超細晶的層片狀共晶組織基體由β_Ti和TiFe形成的共晶構成， 其層片寬度范圍為90nm~0. 8μπι;所述微米尺寸的等軸晶組成為（Co,Fe)Ti2，其尺寸范圍 為L2ym~4ym〇
[0014] 上述多尺度雙態結構鈦合金的制備方法，包括以下制備步驟：
[0015] (1)混粉：把各元素單質粉末按原子百分比配料后混合均勻；
[0016] (2)高能球磨制備合金粉末：將混合均勻的粉末置于惰性氣氛保護的球磨機中進 行高能球磨，直至形成納米晶或非晶結構的合金粉末，然后對球磨合金粉末進行熱物性分 析，確定升溫過程中合金粉末的共晶轉變峰和第二熔化峰，以確定合金粉末的半固態溫度 區間，每個峰分別包含三個特征溫度值：開始溫度、峰值溫度和結束溫度；
[0017] (3)半固態燒結合金粉末：將步驟（2)的合金粉末裝入模具內，通過粉末冶金技術 進行燒結，燒結過程分為三個階段：①燒結壓力條件下，升溫至低于共晶轉變的開始溫度， 對合金粉末進行致密化燒結處理；②繼續升溫至半固態燒結溫度Ts，其中共晶轉變的開始 溫度<K第二熔化峰開始溫度，在30~400MPa燒結壓力下進行半固態燒結加工處理 5~25min;③保持壓力，以400°C/min以上的冷卻速度冷卻（防止晶粒長大），得到基于共 晶轉變的多尺度雙態結構鈦合金。
[0018] 優選地，步驟（1)所述單質粉末為霧化法或電解法制備的單質粉末；單質粉末的 直徑為25~150μm。
[0019] 優選地，步驟（2)所述高能球磨指在轉速為2~5r/s下球磨1~70h，球料比為 7:1 ~12:1〇
[0020] 優選地，步驟（3)中所述的粉末冶金技術是指粉末擠壓、粉末熱壓、熱等靜壓、粉 末乳制、粉末鍛造和放電等離子燒結等粉末固結方法中的任意一種；更優選放電等離子燒 結。
[0021] 優選地，步驟（3)中所述的模具為石墨模具，所述的燒結壓力為30~lOOMPa。
[0022] 優選地，步驟（3)中所述的模具為碳化鎢模具，所述的燒結壓力為50~400MPa。
[0023] 上述基于共晶轉變的多尺度雙態結構鈦合金在航天航空、兵器、體育器材等領域 中有廣泛的應用（如齒輪、裝甲、高爾夫球頭等）。
[0024] 本發明所述半固態燒結的原理是基于β_Ti和TiFe共晶轉變的一種新型燒結方 法，當多元體系鈦合金升溫到適當的溫度范圍時，材料將發生共晶轉變：U-ΚΧ+β，若多相中 的某兩相優先發生共晶轉變為液相，且其燒結溫度（共晶轉變溫度）低于β-Ti熔點，所以 此時整個系統將會出現液相和剩余固相共存的狀態，或者說，將實現合金的半固態，此時剩 余固相晶粒發生長大到微米尺度的等軸晶，在隨后的快速冷卻過程中液相轉變為納米/超 細尺度的層片狀共晶結構，從而獲得納米、超細尺度的層片狀共晶結構和微米尺度的等軸 晶共存的多尺度雙態結構，且由于液相的體積分數較大，從而形成共晶基體+微米晶第二 相的復合結構，從而使獲得的近全致密鈦合金，具有高屈服、高強韌等優異的力學性能。
[0025] 本發明的制備方法及所得到的產物具有如下優點及有益效果：
[0026] (1)本發明通過粉末冶金和半固態相結合的燒結技術，得到合金結構為納米晶和 超細晶的層片狀共晶組織基體，以及微米尺寸的等軸晶第二相的多尺度新型結構，其納米 晶和超細晶的層片狀共晶組織基體由納米尺寸的β_Ti和TiFe形成的共晶構成，所得合金 材料的屈服強度、斷裂強度和斷裂應變等性能比前期CN201510082667. 5中得到的合金性 能有了進一步的提升；
[0027] (2)本發明通過粉末冶金與半固態加工相結合的技術，對材料的微觀組織結構進 行調控，獲得新型多尺度復合化結構、高屈服、高強韌的鈦合金，其屈服強度高達2050MPa、 抗壓強度高達2700MPa、斷裂應變達17%，綜合力學性能遠高于Ti-6A1-4V等鈦合金材料；
[0028] (3)本發明中所述半固態燒結制備工藝屬于粉末冶金與半固態加工的交叉學科， 克服了傳統的半固態加工技術只能制備出粗晶結構，并跨越了單純的粉末固結工藝，成功 制備出由納米晶/超細晶共晶結構+微米等軸晶的多尺度雙態復合結構，所得合金性能更 為優異；
[0029] (4)與目前的粉末冶金半固態加工技術制備的復合材料相比，本發明獲得的共晶 組織、等軸晶、第二相均屬于原位析出相，各相之間不存在潤濕性差的問題，所得合金性能 更為優異；
[0030] (5)本發明所述粉末冶金與半固態燒結技術相結合的成形方法，模具簡單實用、操 作方便，成材率高、節約原材料且近終成形；同時，成形的合金材料尺寸可通過模具進行調 控，且內部界面清潔且其晶粒尺寸可控；
[0031] (6)本發明半固態加工處理時合金具有低粘度和粘性流動行為，故可用于制備較 大尺寸、形狀復雜、適合工程應用的高強韌合金及其零件，具有較廣的通用性和實用性。
【附圖說明】
[0032] 圖1為實施例1經高能球磨后合金粉末的差示掃描量熱（DSC)曲線圖；
[0033] 圖2為實施例1得到的多尺度雙態結構鈦合金的掃描電鏡圖；
[0034] 圖3為實施例1得到的多尺度雙態結構鈦合金的壓縮應力應變曲線圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限 于此。
[0036] 實施例1
[0037] (1)混粉：根據合