一种高强韧合金材料及其半固态烧结制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于合金材料制备技术领域，特别涉及一种高强韧合金材料及其半固态烧 结制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 半固态金属加工是指利用金属从固态向液态、或从液态向固态转变过程中的半固 态温度区间实现金属成形的加工方法。20世纪70年代初期，美国麻省理工学院提出了半固 态加工技术的概念，该技术采用非枝晶半固态浆料，打破了传统的枝晶凝固模式，具有变形 抗力小、材料利用率高、易实现自动化以及形成新加工工艺等独特的优点，因而引起了各国 研究者的高度重视，半固态加工的产品及应用也随之得到迅猛发展。
[0003] 然而，截至目前，半固态加工技术的研究主要集中于铝合金、镁合金等低熔点合金 体系，且制备的合金微观组织晶粒都比较粗大。同时，用传统的半固态加工方法（如流变 铸造、流变锻造和触变锻造等）不可能获得超细晶或纳米晶等晶粒细化的微观结构，更不 可能制备出细晶、超细晶或者纳米晶等二种结构中任意两种尺寸晶粒共存的双尺度微观结 构。事实上，研究结果表明，铁、钛、铝及其合金中存在的双尺度微观结构往往会大幅提高块 体材料的综合性能。此外，传统的半固态加工方法中浆料或坯料的制备比较复杂，高熔点合 金半固态浆料的制备比较困难，这就限制了半固态加工在钛合金、镍合金等高熔点合金体 系中的研究与应用。
[0004] 近年来，科研人员已经通过铜模铸造快速凝固法获得了一系列纳米晶基体/非 晶基体+微米级延性0-Ti树枝晶的双尺度结构钛合金材料。在形变过程中，纳米晶基 体/非晶基体提供了超高的强度，而延性P-Ti树枝晶贡献于材料的高塑性，其断裂强 度大于2000MPa、断裂应变大于10%。此后，越来越多关于具有此类微观结构的高强韧 合金体系（包括Fe基、Zr基和Ti基等）被报道。这种制备方法的核心是精心设计合金 成分和精确控制合金烙体的凝固条件[6.他，]\￡〇1^1'1:，1.1686_丨'，811(11^3(31111]^2，似1:. Mater. 2, 33 (2003)]，在凝固过程中选择合适的保温区间让P-Ti相优先形核长大形成树 枝晶，随后让剩余的合金熔体快速冷却形成纳米晶或非晶基体。但是，这种方法也存在两个 缺陷：一是由于五组元成分容易形成金属间化合物从而抵消树枝晶的增强效应、恶化材料 的延性，从而能形成纳米晶基体/非晶基体+延性0-Ti树枝晶的成分范围比较狭窄；二是 铜模铸造过程中冷却速率受限，因而导致制备的这些高强韧双尺度结构钛合金尺寸一般为 几个毫米（4毫米以下）。以上两个因素成为了限制这些高强韧双尺度结构钛合金实际应用 的瓶颈。
[0005] 作为一种替代成形技术，粉末冶金技术具有制备的材料成分均匀、材料利用率高、 近净成形等特点，且容易制备超细晶/纳米晶结构的高强韧合金，常用于制备较大尺寸、复 杂形状的合金零部件。关于半固态加工技术与粉末冶金技术（如粉末锻造、粉末挤压、粉末 轧制等）的结合，通常是将低熔点基体合金颗粒与高熔点增强相颗粒混合后加热到基体合 金半固态区间，进行搅拌及进一步加工成形制备复合材料。但是，由于复合材料的外加增强 相存在的固有缺陷一与基体合金润湿性差，且这种半固态粉末冶金方法难以保证第二相 在基体中分布均匀，所以半固态加工结合粉末冶金技术制备的复合材料性能存在大幅提升 的空间。
[0006] 有鉴于此，如果能利用半固态加工技术在钛合金等高熔点合金体系中，获得新型 纳米晶、超细晶、细晶甚至双尺度的微观结构，将为开发新型高性能高熔点合金材料及其满 足工业应用的工程零件，提供一种新型的制备方法。
【发明内容】
[0007] 为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种高强韧合 金材料的半固态烧结制备方法。该方法可制备成形出较大尺寸、形状复杂、微观组织为纳米 晶、超细晶、细晶或双尺度结构的高强韧高熔点合金及其零件，克服传统半固态加工技术难 以制备半固态浆料、难以获得纳米晶、超细晶、细晶或双尺度结构，快速凝固法难以获得较 大尺寸的块体材料等问题。
[0008] 本发明另一目的在于提供上述方法制备的高强韧合金材料。
[0009] 本发明再一目的在于提供上述高强韧合金材料在航天航空、军工、仪器仪表领域 中的应用。
[0010] 本发明的目的通过下述方案实现：
[0011] 一种高强韧合金材料的半固态烧结制备方法，该方法是粉末冶金技术和半固态加 工技术相结合的成形制备方法，具体包括以下步骤和工艺条件：
[0012]步骤一：混粉
[0013] 根据设计的合金成分，把单质粉末按比例置于混粉机中混合均匀。
[0014] 步骤二：高能球磨制备合金粉末
[0015] 将混合均匀的粉末置于球磨机中进行高能球磨，直至形成纳米晶或非晶结构的合 金粉末；
[0016] 步骤三：半固态烧结合金粉末
[0017] 采用粉末冶金技术固结装入烧结模具内的合金粉末，选择烧结温度Ts，采用两步 法烧结：烧结压力条件下升温至合金粉末最低温度熔化峰的开始熔化温度以下，对合金粉 末进行烧结致密化处理；卸压后升温至烧结温度Ts并保温进行半固态加工处理，工艺条件 如下：
[0018] 烧结温度Ts :Ts >合金粉末最低温度熔化峰的开始熔化温度
[0019] Ts <合金粉末最高温度熔化峰的开始熔化温度；
[0020] 烧结压力为2〇~5〇OMPa ;
[0021] 冷却，得到高强韧合金材料。
[0022] 优选地，当使用的烧结模具为石墨模具时，步骤三所述烧结压力优选为30~ 50MPa ;当使用的烧结模具为碳化钨模具时，步骤三所述烧结压力优选为50~500MPa。
[0023] 本发明制备方法中的合金粉末最低温度熔化峰的开始熔化温度及合金粉末最高 温度熔化峰的开始熔化温度通过对步骤二中球磨后的合金粉末进行热物性分析得到。热物 性分析中可得到两个或多个熔化峰，以及每个熔化峰的开始熔化温度、峰值熔化温度和结 束熔化温度。
[0024] 步骤三中所述的粉末冶金技术指任意本领域常规使用的粉末冶金技术即可，可为 粉末挤压、粉末热压、粉末轧制、粉末锻造和放电等离子烧结等方法中的任意一种。
[0025] 步骤一中的单质粉末为本领域合金制备常规使用的单质粉末即可，可以是雾化 法、电解法、氢化脱氢法等各种方法制备的粉末，颗粒尺寸没有具体的限定，可以是细粉也 可以是相对较粗的粉末。所述设计的合金成分指目标得到的合金成分。
[0026] 步骤二中高能球磨的条件无具体限定，只需达到球磨形成纳米晶或非晶结构的合 金粉末效果即可。球磨在惰性气体氛围下进行，优选在氩气保护下进行。
[0027] 步骤三中所述的保温时间根据实际调整即可，优选为2~lOmin。
[0028] 步骤三制备得到的高强韧合金材料还可以进行后续热处理，如将制备得到的高强 韧合金材料置于真空炉中，进行退火等处理，以消除残余应力及微结构缺陷。
[0029] 上述方法制备得到的高强韧合金材料，可根据设计分别为不同的合金体系，包括 Ti基、Ni基、Zr基、Cu基、Co基、Nb基、Fe基、Mn基、Mo基、Ta基等合金体系，特别是Ti 基、Ni基等高熔点合金体系。且本发明制备得到的高强韧合金材料具有新的结构，其结构 包括为纳米晶、超细晶、细晶或双尺度结构，因此具有优异的性能，可广泛应用于航天航空、 军工、仪器仪表等领域中。
[0030] 本发明的原理为：
[0031] 本发明的制备方法可针对多种合金体系，特别是Ti基、Ni基等高熔点合金体系进 行半固态加工处理，从而获得具有纳米晶、超细晶、细晶或双尺度结构等新型微观结构、性 能优异的合金材料。本发明制备方法是粉末冶金技术和半固态加工技术相结合的成形制备 方法，其核心在于通过测定合金粉末的熔化峰，选取两步法烧结的温度段，从而把合金粉末 烧结致密化后再进行半固态加工处理，且烧结温度处于最低温度熔化峰的开始熔化温度和 最高温度熔化峰的开始熔化温度之间，烧结压力介于30~500MPa之间。本发明克服了传统 的半固态加工技术制浆难、难以获得双尺度结构等问题，适合制备较大尺寸、形状复杂、适 合工程应用的高强韧合金材料及其零件，具有广泛的通用性和实用性，在航天航空、军工、 仪器仪表等领域中具有良好的推广应用前景。
[0032] 本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
[0033] (1)本发明的制备方法可针对多种合金体系，特别是Ti基、Ni基等鲜有研究的_ 熔点合金体系进行半固态加工处理，从而获得具有纳米晶、超细晶、细晶或双尺度结构等新 型微观结