[發(fā)明專利]一種高強韌超細晶復(fù)合結(jié)構(gòu)鈦合金及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410490300.2
• 申請日: 2014-09-23
• 公開（公告）號: CN104232995A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊超;劉樂華;丁智;屈盛官;李小強;張衛(wèi)文;李元元
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/04
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 張燕玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超細晶合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高強韌超細晶復(fù)合結(jié)構(gòu)鈦合金及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

鈦合金具有低密度、高比強度和斷裂韌性、良好的低溫韌性和抗蝕性等優(yōu)異的綜合性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于化工、船舶、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域，但是作為一種重要的工程結(jié)構(gòu)材料，制備出更高比強度與強韌性的鈦合金以滿足更苛刻條件下的應(yīng)用，已成為科研人員追求的永恒目標(biāo)。

目前，科研人員已經(jīng)通過銅模鑄造快速凝固法獲得了一系列納米晶基體/非晶基體+延性β-Ti樹枝晶結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)鈦合金，在形變過程中納米晶基體/非晶基體為材料提供了超高的強度，而延性β-Ti樹枝晶貢獻于材料的高塑性，制備的鈦合金斷裂強度大于2000MPa、斷裂應(yīng)變大于10％。這種制備方法的核心是精心設(shè)計合金成分和精確控制合金熔體的凝固條件【G.He,J.Eckert,W.and?L.Schultz,Nat.Mater.2,33(2003)】，在凝固過程中選擇合適的保溫區(qū)間讓β-Ti相優(yōu)先形核長大形成樹枝晶，隨后讓剩余的合金熔體快速冷卻形成納米晶基體。但是，這種方法也存在兩個缺陷：一是由于五組元成分容易形成金屬間化合物從而抵消樹枝晶的增強效應(yīng)、惡化材料的延性，從而能形成納米晶基體/非晶基體+延性β-Ti樹枝晶結(jié)構(gòu)的成分范圍比較狹窄；二是銅模鑄造過程中冷卻速率受限，因而導(dǎo)致制備的這些高強韌超細晶復(fù)合結(jié)構(gòu)鈦合金尺寸一般為幾個毫米(4毫米以下)。以上兩個因素成為了限制這些高強韌超細晶復(fù)合結(jié)構(gòu)鈦合金實際應(yīng)用的瓶頸。因此，開發(fā)出一種具有超高強韌性的鈦合金材料及一種能夠滿足工業(yè)應(yīng)用的高強韌鈦合金的制備方法，將會具有廣泛的應(yīng)用前景。

粉末冶金作為一種替代成形技術(shù)，具有制備的材料成分均勻、材料利用率高、近凈成形等特點，常用于制備較大尺寸、復(fù)雜形狀的合金零部件。尤其是，作為一種新型納米晶和非晶合金的制備技術(shù)，機械合金化能在比鑄造法更寬的成分范圍內(nèi)獲得非晶合金材料【J.Eckert,Mater.Sci.Eng.A.,226-228,364(1997)】。就非晶合金的晶化理論來說，通過調(diào)控非晶合金晶化過程中晶化動力學(xué)中的晶化形核長大方式，可優(yōu)選晶化相的種類、形態(tài)及其分布；通過調(diào)控形核長大理論中的形核率和長大率，可有利于得到納米晶或超細晶結(jié)構(gòu)；通過調(diào)控升溫速率、保溫時間等工藝參數(shù)，可改變非晶合金在過冷液相區(qū)內(nèi)的粘性流動行為與晶化的形核長大方式。因此如果能夠通過改變升溫速率、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間、燒結(jié)壓力等工藝參數(shù)，在燒結(jié)機械合金化制備的非晶合金粉末的過程中，通過調(diào)控其晶化動力學(xué)、形核長大理論與粘性流動行為，就可在獲得近全致密塊體材料的同時，獲得晶化相種類、形態(tài)及其分布可控，晶粒尺寸可控的高強韌鈦合金。

因此，如果能夠通過合適的成分設(shè)計，利用機械合金化制備的非晶合金粉末作為前驅(qū)體，然后利用粉末燒結(jié)法固結(jié)和晶化非晶合金粉末，獲得尺寸大于20mm的高強韌超細晶復(fù)合結(jié)構(gòu)鈦合金，將會具有重要的工程及理論意義。迄今，尚未見關(guān)于基于非晶晶化理論的高強韌超細晶復(fù)合結(jié)構(gòu)鈦合金制備方法的研究報道。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種高強韌超細晶復(fù)合結(jié)構(gòu)鈦合金。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述高強韌超細晶復(fù)合結(jié)構(gòu)鈦合金的制備方法。

本發(fā)明的再一目的在于提供上述高強韌超細晶復(fù)合結(jié)構(gòu)鈦合金的應(yīng)用。

本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種高強韌超細晶復(fù)合結(jié)構(gòu)鈦合金，由以下質(zhì)量百分比的組分制備而成：Ti?55％～62％，Nb?15％～24％，F(xiàn)e?6％～16％，Co?2％～12％，Al?2％～6％，所有組分的質(zhì)量百分比之和為100％。

上述高強韌超細晶復(fù)合結(jié)構(gòu)超細晶鈦合金具有以富含Ti、Nb元素的體心立方無序固溶體相為基體相，以含富Ti、Co元素的等軸晶第二相為增強相的微觀結(jié)構(gòu)。

上述高強韌超細晶復(fù)合結(jié)構(gòu)鈦合金的制備方法，包括以下操作步驟：

(1)混粉

將以下質(zhì)量百分比的單質(zhì)粉末在混粉機中混合均勻：Ti?55％～62％，Nb15％～24％，F(xiàn)e?6％～16％，Co?2％～12％，Al?2％～6％，所有組分的質(zhì)量百分比之和為100％；

(2)高能球磨制備非晶合金粉末

將混合均勻后的粉末進行高能球磨，直至合金粉末中非晶相的體積百分比達到最高，得到非晶合金粉末；

(3)燒結(jié)得到高強韌超細晶復(fù)合結(jié)構(gòu)鈦合金

將步驟(2)得到的非晶合金粉末裝入燒結(jié)模具內(nèi)進行燒結(jié)，得到高強韌超細晶復(fù)合結(jié)構(gòu)鈦合金。