金体系具有多个晶态相、且其中两个相可优先发生共晶转变的 材料设计原理，设计的合金体系为Ti52.5Nb12.2Fe21.5CosAl5. s (原子百分比），其包括bccβ-Ti、 bccTiFe和feeCoTi2等三个晶态相，其中bcc0-Ti和bccTiFe可优先发生共晶转变形 成液相，把颗粒尺寸为75μm的通过雾化法制备的Ti、Nb、Fe、Co和A1元素单质粉末按原 子百分比配料，在混粉机中将元素粉末混合均匀。
[0038] (2)高能球磨制备合金粉末：将混合均匀的合金粉置于行星球磨机（QM-2SP20) 中进行高能球磨，选用球磨机的罐体和磨球材料等球磨介质均为不锈钢，磨球直径分别 为15、10和6mm，它们的重量比为1:3:1。高能球磨工艺参数如下：球磨罐内充高纯氩气 (99. 999%，0. 5MPa)保护，球料比为7:1，转速为2r/s，每隔10h在氩气氛围中的手套箱内 取3g左右粉末进行X射线衍射（XRD)和差示扫描量热（DSC)分析等测试，直到球磨时间为 45h后，经XRD检测表明45h球磨的粉末结构为体积分数约90%的非晶相包围β-Ti纳米 晶。其DSC分析曲线图如图1所示，由图1可确定45h球磨的合金粉末在加热过程中分别 存在一个共晶转变峰（其共晶转变开始温度与峰值温度分别为1050°C和1068°C)和第二 熔化峰（其开始温度、峰值温度和熔化结束温度分别为1163°C、1190°C和1215°C)。
[0039] (3)半固态烧结合金粉末：将20g球磨45h的合金粉末用钽纸包覆，然后装入半固 态石墨模具内，采用50MPa预压制，抽真空到10 2Pa，然后充高纯氩气保护；采用放电等离子 烧结系统（SPS-825)快速烧结，选择的烧结温度为1100°C。烧结工艺条件如下：
[0040] 烧结温度TS:1100°C，合金粉末的共晶转变开始温度1050°C< 1100°(：<合金粉末 的第二熔化峰开始温度1163Γ;
[0041] 烧结压力：50MPa;
[0042] 烧结时间：50MPa压力下10分钟升温到1050°C完成致密化烧结处理，保压以50K/ min升温到1KKTC，随后保温5分钟完成半固态烧结加工处理，保持压力，通过循环冷却水 以400°C/min的冷却速度冷却。
[0043] 经烧结即获得直径为Φ20mm的基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金。
[0044] 本实施例得到的多尺度双态结构钛合金的扫描电镜图如图2所示，由图2可以得 出，其微观结构包括由bccβ-Ti与bccTiFe优先发生共晶转变液相快速冷却后生成的纳 米晶/超细晶的层片状共晶组织（其层片宽度范围为90nm~0. 8μm)和长大为微米尺寸 (其尺寸范围为1.2μπι~4μπι)的等轴状（Co，Fe)Ti2组成的多尺度双态复合结构。本实 施例得到的多尺度双态结构钛合金的压缩应力应变曲线图如图3所示，由图3可以得出， 该多尺度双态复合结构钛合金材料的压缩屈服强度、断裂强度和断裂应变分别为2050MPa、 2700MPa和17%，综合力学性能远高于Ti-6A1-4V等钛合金材料。
[0045] 实施例2
[0046] (1)混粉：根据合金体系具有多个晶态相、且其中两个相可优先发生共晶转变的 材料设计原理，设计的合金体系为TiffiNb^Fej^Con./lu(原子百分比），其包括bccβ-Ti、 bccTiFe和feeCoTi2等三个晶态相，其中bcc0-Ti和bccTiFe可优先发生共晶转变形 成液相，把颗粒尺寸为150μm的通过雾化法制备的Ti、Nb、Fe、Co和A1元素单质粉末按原 子百分比配料，在混粉机中将元素粉末混合均匀。
[0047] (2)高能球磨制备合金粉末：将混合均匀的合金粉置于行星球磨机（QM-2SP20) 中进行高能球磨，选用球磨机的罐体和磨球材料等球磨介质均为不锈钢，磨球直径分别 为15、10和6mm，它们的重量比为1:3:1。高能球磨工艺参数如下：球磨罐内充高纯氩气 (99. 999%，0. 5MPa)保护，球料比为12:1，转速为5r/s，每隔10h在氩气氛围中的手套箱内 取3g左右粉末进行X射线衍射（XRD)和差示扫描量热（DSC)分析等测试，直到球磨时间为 45h后，经XRD检测表明45h球磨的粉末结构为体积分数约90%的非晶相包围β-Ti纳米 晶。根据其DSC分析曲线可确定45h球磨的合金粉末在加热过程中分别存在一个共晶转变 峰（其共晶转变开始温度与峰值温度分别为1080°C和1090°C)和第二熔化峰（其熔化开 始温度和熔化结束温度分别为1170°C和1200°C)。
[0048] (3)半固态烧结合金粉末：将20g球磨45h的合金粉末用钽纸包覆，然后装入半固 态碳化钨模具内，采用50MPa预压制，抽真空到10 2Pa，然后充高纯氩气保护；采用放电等离 子烧结系统（SPS-825)快速烧结，选择的烧结温度为1100°C。烧结工艺条件如下：
[0049] 烧结温度TS:1100°C，合金粉末的共晶转变开始温度1080°C< 1100°(：<合金粉末 的第二熔化峰开始熔化温度1170°c
[0050] 烧结压力：5〇MPa
[0051] 烧结时间：50MPa压力下10分钟升温到1050°C完成致密化烧结处理，保压以50K/ min升温到1KKTC，随后保温5分钟完成半固态烧结加工处理，保持压力，通过循环冷却水 以400°C/min的冷却速度冷却。
[0052] 经烧结即获得直径为Φ20mm的基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金。
[0053] 本实施例得到的多尺度双态结构钛合金，其微观结构包括由bccP-Ti与bcc TiFe优先发生共晶转变液相快速冷却后生成的纳米晶/超细晶的层片状共晶组织、长大为 微米尺寸的等轴状（Co，Fe)Ti2组成的多尺度双态复合结构，该组织结构及其形成机理不同 于目前文献报道的钛合金组织结构。本实施例得到的多尺度双态复合结构钛合金材料的压 缩屈服强度、断裂强度和断裂应变分别为1650MPa、2550MPa和36. 5%，综合力学性能远高 于Ti-6A1-4V等钛合金材料。
[0054] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金，其特征在于，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：Ti 52.5~62at. %，Nb 10.0 ~14. Iat. %，Fe 5. 5~ 21. 5at. %，Co 8~16. 3at. %，Al 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。2. 根据权利要求1所述的一种基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金，其特征在于： 所述的纳米晶和超细晶的层片状共晶组织基体由P-Ti和TiFe形成的共晶构成，其层 片宽度范围为90nm~0. 8 ym ;所述微米尺寸的等轴晶组成为（Co, Fe) Ti2,其尺寸范围为 I. 2 u m ~ 4 u m〇3. 权利要求1或2所述的一种基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金的制备方法，其 特征在于，包括以下制备步骤： (1) 混粉：把各元素单质粉末按原子百分比配料后混合均匀； (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； (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T s，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，得到基于共晶转变的多尺度双态 结构钛合金。4. 根据权利要求3所述的一种基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金的制备方法，其 特征在于：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 ~150 u mD5. 根据权利要求3所述的一种基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金的制备方法，其 特征在于：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~ 12:1〇6. 根据权利要求3所述的一种基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金的制备方法，其 特征在于：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。7. 根据权利要求6所述的一种基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金的制备方法，其 特征在于：步骤（3)中所述的粉末冶金技术是指放电等离子烧结。8. 根据权利要求3所述的一种基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金的制备方法，其 特征在于：步骤（3)中所述的模具为石墨模具，所述的烧结压力为30~lOOMPa。9. 根据权利要求3所述的一种基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金的制备方法，其 特征在于：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。10. 权利要求1或2所述的基于共晶转变的多尺度双态结构钛合金在航天航空、兵器或 体育器材领域中的应用。
【专利摘要】本发明属于合金加工技术领域，公开了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。所述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.％，Al5.8～6.7at.％；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。所述的制备方法包括混粉、高能球磨制备合金粉末和半固态烧结合金粉末三个步骤，通过控制烧结温度介于共晶转变的开始温度和熔化开始温度之间，所得合金具有纳米、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，合金性能更为优异。
【IPC分类】C22C1/04, C22C14/00
【公开号】CN105238954
【申请号】CN201510719338
【发明人】杨超, 康利梅, 李鑫鑫, 屈盛官, 李小强, 张卫文
【申请人】华南理工大学
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年10月28日