一种高强韧双尺度结构钛合金及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001]本发明属于合金加工技术领域，具体涉及一种高强韧双尺度结构钛合金及其制备方法与应用。
【背景技术】
[0002]作为从20世纪50年代发展起来的一种重要结构金属，钛合金因其密度低、比强度高、耐热性高和耐蚀性好等优异的综合性能，现已广泛应用于化工、汽车、医疗、航空航天等领域。作为一种重要的工程结构材料，制备出更高比强度与强韧性的钛合金以满足更苛刻条件下的应用，已成为科研人员追求的永恒目标。有效改进钛合金的制备工艺，并精确控制其微观结构(相种类、尺度、形态及其分布)，一直被大多数研究者们视为改善钛合金强韧性的最行之有效的两大途径。
[0003]目前，He等人在Nature上报道了一种通过改变微观结构来获得高强韧双尺度钛合金的方法，他们通过铜模铸造快速凝固法获得了一系列fee纳米晶基体+微米晶延性bcci3-Ti树枝晶的双尺度结构钛合金。这种双尺度结构的形成机理如下:合金熔体从高温液相冷却过程中，在半固态温度区间一部分液相优先凝固析出高熔点的bcci3-Ti相，足够的保温时间后bcci3-Ti长大为微米级树枝晶，剩下的液相在随后的快速冷却凝固过程中形成fee纳米晶基体。在形变过程中，形成的双尺度结构钛合金中的fee纳米晶基体为材料提供了超高的强度，而延性微米级bcc β -Ti树枝晶贡献于材料的高塑性，其断裂强度大于2000MPa，同时断裂应变大于10%。此后，越来越多关于具有此类纳米晶基体+微米树枝晶的组织结构的高强韧双尺度钛合金成分体系被连续报道。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，所以这种方法制备双尺度结构的成分选择范围比较狭窄；二是铜模铸造过程中冷却速率要求极高，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。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一大瓶颈。
[0004]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。近年来，随着学科的交叉与融合，一系列结合挤压、锻造和乳制等粉末固结工艺的半固态加工工艺应运而生。然而，迄今为止，半固态加工工艺主要集中于铝合金、镁合金等低熔点合金体系。且现有半固态加工工艺中必需的半固态浆料或坯料的制备工序比较复杂，难以制备出高熔点金属合金的半固态浆料，这极大程度上限制了半固态加工工艺技术潜力的发挥，制约了相关该技术合金体系的应用范围。此外，现有半固态加工工艺制备的合金材料微观结构晶粒都非常粗大(通常为几十微米以上)，难以获得超细晶或纳米晶等晶粒细化的微观结构，更不可能制备出双尺度或多尺度结构。
[0005]有鉴于此，基于上述铜模铸造法采用的钛合金体系，本课题组提出基于非晶晶化理论，通过粉末固结+非晶晶化法制备了一系列高强韧钛合金(强度大于2500MPa的同时断裂应变超过30% )，这种制备方法的机理为:先采用机械合金化制备非晶/纳米晶复合粉末，然后通过粉末固结法将非晶/纳米晶复合粉末固结成形，升温过程中非晶/纳米晶复合粉末中优先析出bcc β -Ti，随后再析出fee第二相，最终形成等轴超细晶β -Ti基体+等轴超细晶fee第二相的复合结构。该方法不受冷却速率的限制，不仅能制备大尺寸的块状合金，而且具有更为优越的力学性能。值得注意的是，前述制备fee纳米晶基体+微米晶β -Ti树枝晶的双尺度结构的铜模铸造法需在半固态温度区间(即固-液共存区间)保温一段时间后再快冷从而得到双尺度结构；且大量研究表明，高熔点bcc β -Ti的熔点通常高于1943Κ，而低熔点fee相的熔点通常低于1500K，即在这两个温度范围内合金处于一个较宽的半固态温度区间。然而，上述制备等轴超细晶β -Ti基体+等轴超细晶fee第二相复合结构的粉末固结+非晶晶化法，其烧结温度始终小于合金的熔化温度；同时，由于bcc β -Ti和fee两相长大均为固固相变、热力学生长条件基本一样，故未能制备出双尺度结构。
[0006]综上所述，如果将以上具有bcc β-Ti和fee两个晶态相的非晶/纳米晶粉末，在高于低熔点fee相的熔化温度且低于高熔点的bcc β -Ti的熔化温度之间，也就是在合金的半固态温度区间进行烧结，通过烧结温度、烧结压力、保温时间、冷却速率等半固态烧结工艺参数的合理调控，最终将可能制备出新型的高强韧双尺度结构，该结构可能既不同于铜模铸造法的纳米晶基体+微米级树枝晶的双尺度结构，同时又不同于粉末固结+非晶晶化法的等轴超细晶复合结构，这将对开发新型高性能新结构钛合金材料及其满足工业应用的近净成形工程零件，具有重要的理论和工程意义。
【发明内容】
[0007]基于以上现有技术，本发明的首要目的在于提供一种高强韧双尺度结构钛合金。
[0008]本发明的另一目的在于提供上述高强韧双尺度结构钛合金的制备方法。
[0009]本发明的再一目的在于提供上述高强韧双尺度结构钛合金的应用。
[0010]本发明目的通过以下技术方案实现:
[0011]—种高强韧双尺度结构钛合金，所述钛合金的成分体系表示为:T1-MR-Ma-Mb-Mc，其中MR为Nb、Ta、Mo或V等β-Ti相稳定和提高β-Ti熔点的元素；Ma-Mb为Cr-Co、Cu-Co、Cu-NiN Fe-CoN Fe_In、Fe_V、Fe_Ga、Fe-Sn 或 FeGa 等相互固溶的元素；Mc 为 Al、Sn、Ga、In、Bi或Sb等α -Ti相稳定元素；其微观组织结构包括两相组织均为双尺度共存分布，即微米晶等轴bcc β -Ti和超细晶等轴bcc β -Ti双尺度共存，同时微米晶fee MbTi2和超细晶等轴fee MbTi2双尺度共存；或其微观组织结构包括超细晶fee MbTi2孪晶沿着双尺度基体边界分布，双尺度基体为微米晶bcc β-Ti内弥散分布纳米针状马氏体α '相。
[0012]优选地，所述钛合金的成分体系为:T1-Nb-Cu-Co-Al，各元素的原子百分比为Ti58 ?70at.%, Nb 9 ?16at.%, Cu 4 ?9at.%, Co 4 ?9at.%, Al 2 ?8at.%，以及不可避免的微量杂质；其微观组织结构包括两相组织均为双尺度共存分布，即微米晶等轴bcc β -Ti和超细晶等轴bcc β -Ti双尺度共存，同时微米晶板条fee CoTi2和超细晶等轴fee CoTi2双尺度共存；或其微观组织结构包括超细晶板条fee CoTi2孪晶沿着双尺度基体边界分布，双尺度基体为微米晶bcc β-Ti内弥散分布纳米针状马氏体α '相。
[0013]上述高强韧双尺度结构钛合金的制备方法，包括以下制备步骤:
[0014](I)混粉:根据具有不同恪点的两个fee和bcc晶态相的原则设计出合适的合金成分，把单质粉末按比例配料后混合均匀；
[0015](2)高能球磨制备合金粉末:将混合均匀的粉末置于惰性气氛保护的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，然后对球磨合金粉末进行热物性分析，确定升温过程中合金粉末的低恪点fee相恪化峰特征温度和高恪点bcc β -Ti恪化峰特征温度，包括开始熔化温度、峰值熔化温度和结束熔化温度；
[0016](3)半固态烧结合金粉末:将步骤(2)的合金粉末装入模具内进行烧结，烧结过程分为三个阶段:①烧结压力条件下，升温至低于低熔点fee相的熔化峰的开始熔化温度，对合金粉末进行致密化烧结处理继续升温至半固态烧结温度Ts，其中低熔点fee相熔化峰的开始熔化温度彡K高熔点bcc β -Ti熔化峰的开始熔化温度，在10?500MPa烧结压力下进行半固态烧结加工处理1min?2h ;③保压冷却至室温，得到高强韧双尺度结构钛合金。
[0017]优选地，步骤⑴中所述的单质粉末的颗粒尺寸为20?100 μπι。
[0018]优选地，步骤(2)中所述的高能球磨是指在转速为2?6r/s下球磨I?100h，球料比为7:1?12:1。在上述球料比范围内，控制转速即可调整高能球磨的时间。
[0019]优选地，步骤(3)中所述的模具为石墨模具，所述的烧结压力为10?lOOMPa。
[0020]优选地，步骤(3)中所述的模具为碳化钨模具，所述的烧结压力为60?500MPa。
[0021]优选地，步骤(3)中所述的冷却至室温是指随炉直接冷却或调节冷却速率为10?250 °C /min进行冷却。
[0022]上述高强韧双尺度结构钛合金在航天航空、兵器、体育器材等领域中的应用(如较大尺寸、复杂形状、适合工程应用的高强韧合金材料及其近净成形零件，如齿轮、薄壁管、装甲、高尔夫球头等)。
[0023]本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果:
[0024](I)本发明通过粉末冶金与半固态加工相结合的技术，对材料的微观组织结构进行调控，其微观组织结构包括两相组织均为双尺度共存分布，即微米晶等轴bcc β -Ti和超细晶等轴bcc β -Ti双尺度共存，同时微米晶板条fee CoTi2和超细晶等轴fee CoTi 2双尺度共存；或其微观组织结构包括超细晶板条fee 0)112孪晶沿着双尺度基体边界分布，双尺度基体为微米晶bcc β-Ti内弥散分布纳米针状马氏体α '相，获得新型双尺度结构高强韧的钛合金；制备的最优性能合金其抗压强度和塑性分别达到3139MPa和42.3%，综合力学性能远高于铜模铸造法所制备的纳米晶基体+延性微米级β -Ti树枝晶结构的双尺度结构钛合金；
[0025](2)本发明中所述半固态烧结制备工艺属于粉末冶金与半固态加工的交叉学科，克服了传统的半固态加工技术只能制备出粗