[發明專利]一種雙尺度等軸結構的鈦合金及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202210702077.8
• 申請日: 2022-06-21
• 公開（公告）號: CN115109959A
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 楊超;陳濤;屈盛官
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C22C1/04
• 分類號: C22C1/04;C22C14/00;B22F3/02;B22F3/04;B22F3/10;B22F9/04
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 鐘燕瓊

本發明公開了一種雙尺度等軸結構的鈦合金及其制備方法與應用。該鈦合金微觀結構包括10?30μm的等軸結構區域及其邊界1?2μm寬、7?40μm長的連續微米晶β?Ti板條相。其中，10?30μm的等軸結構區域包括100?400nm的等軸超細晶α?Ti相，及其晶界100?150nm寬、280?900nm長的超細晶β?Ti板條相。所述連續微米晶β?Ti板條相和超細晶β?Ti板條相構成雙尺度結構，等軸超細晶α?Ti相及其組成的微米級等軸結構區域構成等軸結構。本發明方法所得鈦合金的力學性能較傳統無壓燒結鈦合金具有極大提升，相比現有制備雙尺度結構鈦合金方法具有工藝簡單、成本低和制品尺寸、結構自由度高等優勢。

技術領域

本發明屬于鈦合金技術領域，特別涉及一種雙尺度等軸結構的鈦合金及其制備方法與應用。

背景技術

鈦及鈦合金作為重要的金屬結構材料之一，是國家和相關研究者重點的發展對象，其廣泛應用于航空航天的壓力機，阻流板，發動機艙、化工領域的反應器，電解槽，蒸餾塔、海洋工程領域的管道，鉆探用泵、汽車領域的排氣和消音系統、彈簧、連桿。依據微觀組織決定宏觀性能的材料理論，通過調控鈦合金的微觀結構(晶粒尺寸、相分布和形態)可以有效地優化其力學性能，并實現高強鈦合金的制備。

細化晶粒至納米晶(＜100nm)和超細晶范疇(100-1000nm)可以有效地提高鈦合金塊體的強度，但是由于其缺少應變硬化能力而通常具有較低的塑性。通過在鈦合金基體中引入多尺度的晶粒搭配(如超細晶和微米晶)可以實現鈦合金強度與塑性的搭配。目前，制備雙尺度結構鈦合金的方法包括塊體合金塑性變形-熱處理誘發再結晶，不同尺寸原料粉末的混合固結，非晶晶化-固態燒結和半固態燒結，銅模快速凝固方法。然而，上述方法均存在工序復雜，制備的塊體材料尺寸受限，制備成本高等問題，使得上述高性能材料難以推廣應用。

以氫化鈦粉末代替純鈦粉末成形鈦材料是降低粉末冶金鈦材料的重要方法。氫化鈦是氫化脫氫鈦粉的中間產物，其成本較純鈦粉低。此外，氫化鈦燒結過程中的脫氫效應有效地加速致密化，使得不需要后處理便可制備高致密度的鈦合金塊體。然而，目前無壓燒結制備的鈦合金通常具有尺寸大于100μm的α集束尺寸，使得無壓燒結的鈦合金抗拉強度難以突破1000MPa。現報道的無壓燒結Ti-6Al-4V合金塊體抗拉強度為830-970MPa，拉伸塑性為12.5-5％。(Metallurgical and Materials Transactions A,48(2017)2301–2319)。一般采用熱機械處理、熱氫處理進一步提高其力學性能，但同樣提高了高性能鈦合金的制備成本并限制了合金的尺寸、形狀自由度。有鑒于此，如果能通過氫化鈦或純鈦粉末燒結的工藝調控，獲得超細晶β-Ti板條相，微米晶β-Ti板條相和超細等軸晶α-Ti共存的雙尺度結構鈦合金，將可低成本地制備出高強度的鈦合金，并實現其在航空航天、裝甲車、兵器、船舶、汽車領域等高強結構件或耐磨結構件中的低成本應用，將具有重要的理論和工程意義。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點與不足，本發明的首要目的在于提供一種雙尺度等軸結構的鈦合金。

本發明另一目的在于上述雙尺度等軸結構的鈦合金的制備方法。

本發明再一目的在于提供上述雙尺度等軸結構的鈦合金航空航天、裝甲車、兵器、船舶、汽車領域等高強結構件或耐磨結構件中的低成本應用。

本發明的目的通過下述方案實現。

一種雙尺度等軸結構的鈦合金的制備方法，包括以下制備步驟：

(1)合金粉末含碳處理：將目標鈦合金成分的合金元素粉末與含碳高分子試劑共混，再進行球磨；所述含碳高分子試劑為只含C和H的高分子液體；

(2)燒結原料混合：將步驟(1)所得混合物與鈦原料粉末按照目標鈦合金成分混合均勻，得到燒結原料；

(3)無壓燒結成形：將步驟(2)所得燒結原料進行壓制和燒結成形，得到雙尺度等軸結構的鈦合金。