一种基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金及制备与应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于合金加工技术领域，具体涉及一种基于共晶转变的多尺度双态结构钛 合金及制备与应用。
【背景技术】
[0002] 作为一种新型的先进轻量化金属结构材料，钛合金具有低密度、高强度、高塑性和 高断裂韧性、良好的耐腐蚀性及生物相容性等优异的性能，广泛应用于航空、航天、机械、国 防装备、化工、船舶、医疗、能源等领域。然而，作为一种重要工程结构材料，现代工业的快速 发展对钛合金材料的使用温度及强度要求不断提高，因此，设计制备出更高强韧性且工艺 简单、生产成本较低的钛合金以满足更苛刻条件下的应用，一直以来都是研究者们追求的 目标。国家多个重点工程和重大科技专项的"轻质高强金属结构材料"专题，都与高强韧钛 合金密切相关。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，常见的高强韧钛合金微观结构主要包括：（1)纳米晶基体+延性β相微米 树枝晶的双尺度复合结构；（2)非晶基体+延性β相微米树枝晶的双尺度复合结构；(3)等 轴超细晶基体+等轴超细晶第二相的复合结构；(4)超细板条状结构；(5)等轴超细晶基体 +微米层片的双尺度结构；(6)纳米晶基体+树枝状微米晶的双尺度结构；（7)超细晶基体 +微米晶的双尺度结构；(8)纳米晶基体+微米晶的双尺度结构。然而，这些高强韧钛合金 主要通过铸造加后续热处理的工艺制得，制备工艺复杂，成本相对较高。同时，由于这些钛 合金微观组织由多种物相机械组合而成，其屈服强度范围主要集中在1300-1800MPa。事实 上，在实际工程应用中，与断裂强度、断裂韧性相比，材料的屈服强度是一项更重要的性能 指标。因此，若能通过选择合适的合金成分、材料成形方法及其工艺参数，制备出具有更高 屈服强度的高强韧新结构钛合金，将具有非常重要的科学和工程意义。
[0004] 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] 粉末冶金作为一种替代成形技术，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、高强 韧、复杂形状的合金零部件。尤其是，作为一种新型的粉末活化烧结工艺，放电等离子烧结 (SparkPlasmaSintering，SPS)是一种强电场、应力场和温度场等三场作用下的成形固结 方法，与传统的热压、热等静压和无压烧结相比，具有更明显的优势：烧结温度低、烧结时间 短（只需几分钟）、升温和降温速率快（可提供高达几百K/min的升温和冷却速率）、可以 有效抑制晶粒长大、烧结与热处理一体化、生产效率高，特别是，SPS脉冲电流经过粉末颗粒 之间会产生放电等离子、放电冲击力、焦耳热和电场扩散效应等效应，可获得近全致密的块 状合金。
[0006] 基于合金材料的共晶转变原理，由共晶转变表达式?·<_ΗΧ+β可以想到：当多元体 系钛合金升温到适当的温度范围时，若多相中的某两相优先发生共晶转变为液相，从而整 个系统将会出现液相和剩余固相共存的状态，或者说，将实现合金的半固态。这种半固态金 属的形成机理、微观结构及其制备工艺将不同于利用目前半固态加工工艺获得的半固态， 由于共晶转变温度大幅低于单个固相和合金体系的熔点，故这种半固态金属更易于在高熔 点合金（如钛合金）体系中得到实现。
[0007]因此，将粉末固结工艺与共晶转变理论结合，制定一种跨越传统粉末固结技术的 新型半固态加工工艺，在钛合金中制备出新型多尺度复合化微观结构，将为开发新型高屈 月艮、高强韧、高熔点钛合金材料及其满足工业应用的复杂形状工程零件，提供一种新型的制 备方法。
【发明内容】
[0008] 为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种基于 共晶转变的多尺度双态结构钛合金。
[0009] 本发明的另一目的在于提供上述基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金的制备 方法。
[0010] 本发明的再一目的在于提供上述基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金在航天 航空、兵器、体育器材等领域中的应用。
[0011] 本发明目的通过以下技术方案实现：
[0012] -种基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金，所述多尺度双态结构钛合金由以下 原子百分比的元素组成：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杂质；其微观结构包括纳米晶 和超细晶的层片状共晶组织基体，以及微米尺寸的等轴晶第二相。
[0013] 所述的纳米晶和超细晶的层片状共晶组织基体由β_Ti和TiFe形成的共晶构成， 其层片宽度范围为90nm~0. 8μπι;所述微米尺寸的等轴晶组成为（Co,Fe)Ti2，其尺寸范围 为L2ym~4ym〇
[0014] 上述多尺度双态结构钛合金的制备方法，包括以下制备步骤：
[0015] (1)混粉：把各元素单质粉末按原子百分比配料后混合均匀；
[0016] (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共晶转变峰和第二熔化峰，以确定合金粉末的半固态温度 区间，每个峰分别包含三个特征温度值：开始温度、峰值温度和结束温度；
[0017] (3)半固态烧结合金粉末：将步骤（2)的合金粉末装入模具内，通过粉末冶金技术 进行烧结，烧结过程分为三个阶段：①烧结压力条件下，升温至低于共晶转变的开始温度， 对合金粉末进行致密化烧结处理；②继续升温至半固态烧结温度Ts，其中共晶转变的开始 温度<K第二熔化峰开始温度，在30~400MPa烧结压力下进行半固态烧结加工处理 5~25min;③保持压力，以400°C/min以上的冷却速度冷却（防止晶粒长大），得到基于共 晶转变的多尺度双态结构钛合金。
[0018] 优选地，步骤（1)所述单质粉末为雾化法或电解法制备的单质粉末；单质粉末的 直径为25~150μm。
[0019] 优选地，步骤（2)所述高能球磨指在转速为2~5r/s下球磨1~70h，球料比为 7:1 ~12:1〇
[0020] 优选地，步骤（3)中所述的粉末冶金技术是指粉末挤压、粉末热压、热等静压、粉 末乳制、粉末锻造和放电等离子烧结等粉末固结方法中的任意一种；更优选放电等离子烧 结。
[0021] 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30~lOOMPa。
[0022] 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50~400MPa。
[0023] 上述基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金在航天航空、兵器、体育器材等领域 中有广泛的应用（如齿轮、装甲、高尔夫球头等）。
[0024] 本发明所述半固态烧结的原理是基于β_Ti和TiFe共晶转变的一种新型烧结方 法，当多元体系钛合金升温到适当的温度范围时，材料将发生共晶转变：U-ΚΧ+β，若多相中 的某两相优先发生共晶转变为液相，且其烧结温度（共晶转变温度）低于β-Ti熔点，所以 此时整个系统将会出现液相和剩余固相共存的状态，或者说，将实现合金的半固态，此时剩 余固相晶粒发生长大到微米尺度的等轴晶，在随后的快速冷却过程中液相转变为纳米/超 细尺度的层片状共晶结构，从而获得纳米、超细尺度的层片状共晶结构和微米尺度的等轴 晶共存的多尺度双态结构，且由于液相的体积分数较大，从而形成共晶基体+微米晶第二 相的复合结构，从而使获得的近全致密钛合金，具有高屈服、高强韧等优异的力学性能。
[0025] 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：
[0026] (1)本发明通过粉末冶金和半固态相结合的烧结技术，得到合金结构为纳米晶和 超细晶的层片状共晶组织基体，以及微米尺寸的等轴晶第二相的多尺度新型结构，其纳米 晶和超细晶的层片状共晶组织基体由纳米尺寸的β_Ti和TiFe形成的共晶构成，所得合金 材料的屈服强度、断裂强度和断裂应变等性能比前期CN201510082667. 5中得到的合金性 能有了进一步的提升；
[0027] (2)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，获得新型多尺度复合化结构、高屈服、高强韧的钛合金，其屈服强度高达2050MPa、 抗压强度高达2700MPa、断裂应变达17%，综合力学性能远高于Ti-6A1-4V等钛合金材料；
[0028] (3)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晶结构，并跨越了单纯的粉末固结工艺，成功 制备出由纳米晶/超细晶共晶结构+微米等轴晶的多尺度双态复合结构，所得合金性能更 为优异；
[0029] (4)与目前的粉末冶金半固态加工技术制备的复合材料相比，本发明获得的共晶 组织、等轴晶、第二相均属于原位析出相，各相之间不存在润湿性差的问题，所得合金性能 更为优异；
[0030] (5)本发明所述粉末冶金与半固态烧结技术相结合的成形方法，模具简单实用、操 作方便，成材率高、节约原材料且近终成形；同时，成形的合金材料尺寸可通过模具进行调 控，且内部界面清洁且其晶粒尺寸可控；
[0031] (6)本发明半固态加工处理时合金具有低粘度和粘性流动行为，故可用于制备较 大尺寸、形状复杂、适合工程应用的高强韧合金及其零件，具有较广的通用性和实用性。
【附图说明】
[0032] 图1为实施例1经高能球磨后合金粉末的差示扫描量热（DSC)曲线图；
[0033] 图2为实施例1得到的多尺度双态结构钛合金的扫描电镜图；
[0034] 图3为实施例1得到的多尺度双态结构钛合金的压缩应力应变曲线图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。
[0036] 实施例1
[0037] (1)混粉：根据合