一种高强韧超细晶复合结构钛合金及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于合金材料技术领域，具体涉及一种高强韧超细晶复合结构钛合金及其制备方法与应用。所述高强韧超细晶复合结构钛合金由以下质量百分比的元素组成：Ti55％～62％，Nb15％～24％，Fe6％～16％，Co2％～12％，Al2％～6％，其微观结构是以富含Ti、Nb元素的体心立方无序固溶体相为基体相，以含富Ti、Co元素的等轴晶第二相为增强相。所述合金的制备方法为：将上述质量百分比的单质粉末经混粉、高能球磨制备非晶合金粉末和烧结得到高强韧超细晶复合结构钛合金。本发明专利技术制备的钛合金具有尺寸大、综合力学性能好的优点，可用于航空航天材料领域。

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧超细晶复合结构钛合金及其制备方法与应用
本专利技术属于超细晶合金材料
，具体涉及一种高强韧超细晶复合结构钛合 金及其制备方法与应用。
技术介绍
钛合金具有低密度、高比强度和断裂初性、良好的低温初性和抗蚀性等优异的综 合性能，现已广泛应用于化工、船舶、医疗、能源等领域，但是作为一种重要的工程结构材 料，制备出更高比强度与强靭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。 目前，科研人员已经通过铜模铸造快速凝固法获得了一系列纳米晶基体/非 晶基体+延性β-Ti树枝晶结构的复合结构钛合金，在形变过程中纳米晶基体/非晶 基体为材料提供了超高的强度，而延性β-Ti树枝晶贡献于材料的高塑性，制备的钛合 金断裂强度大于2000MPa、断裂应变大于10%。这种制备方法的核心是精心设计合金成 分和精确控制合金溶体的凝固条件【G.He，J.Eckert,W. L§S?^and L.Schultz,Nat. Mater. 2, 33 (2003)】，在凝固过程中选择合适的保温区间让β -Ti相优先形核长大形成树 枝晶，随后让剩余的合金熔体快速冷却形成纳米晶基体。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，从而能形成纳米晶基体/非晶基体+延性β-Ti树枝晶结构的成分范围比较狭窄；二是 铜模铸造过程中冷却速率受限，因而导致制备的这些高强靭超细晶复合结构钛合金尺寸一 般为几个毫米（4毫米以下）。以上两个因素成为了限制这些高强钿超细晶复合结构钛合金 实际应用的瓶颈。因此，开发出一种具有超高强韧性的钛合金材料及一种能够满足工业应 用的高强韧钛合金的制备方法，将会具有广泛的应用前景。 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，常用于制备较大尺寸、复杂形状的合金零部件。尤其是，作为一种新型纳米晶 和非晶合金的制备技术，机械合金化能在比铸造法更宽的成分范围内获得非晶合金材料 【J. Eckert, Mater. Sci. Eng. A.，226-228, 364 (1997)】。就非晶合金的晶化理论来说，通过调 控非晶合金晶化过程中晶化动力学中的晶化形核长大方式，可优选晶化相的种类、形态及 其分布；通过调控形核长大理论中的形核率和长大率，可有利于得到纳米晶或超细晶结构； 通过调控升温速率、保温时间等工艺参数，可改变非晶合金在过冷液相区内的粘性流动行 为与晶化的形核长大方式。因此如果能够通过改变升温速率、烧结温度、烧结时间、烧结压 力等工艺参数，在烧结机械合金化制备的非晶合金粉末的过程中，通过调控其晶化动力学、 形核长大理论与粘性流动行为，就可在获得近全致密块体材料的同时，获得晶化相种类、形 态及其分布可控，晶粒尺寸可控的高强韧钛合金。 因此，如果能够通过合适的成分设计，利用机械合金化制备的非晶合金粉末作为 前驱体，然后利用粉末烧结法固结和晶化非晶合金粉末，获得尺寸大于20mm的高强韧超细 晶复合结构钛合金，将会具有重要的工程及理论意义。迄今，尚未见关于基于非晶晶化理论 的高强韧超细晶复合结构钛合金制备方法的研究报道。
技术实现思路
为了解决现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种高强籾超 细晶复合结构钛合金。 本专利技术的另一目的在于提供上述高强钿超细晶复合结构钛合金的制备方法。 本专利技术的再一目的在于提供上述高强钿超细晶复合结构钛合金的应用。 本专利技术目的通过以下技术方案实现： 一种高强韧超细晶复合结构钛合金，由以下质量百分比的组分制备而成：Ti 55%?62%，Nb 15%?24%，Fe 6%?16%，Co 2%?12%，A1 2%?6%，所有组分的质 量百分比之和为100%。 上述高强初超细晶复合结构超细晶钛合金具有以富含Ti、Nb元素的体心立方无 序固溶体相为基体相，以含富Ti、Co元素的等轴晶第二相为增强相的微观结构。 上述高强韧超细晶复合结构钛合金的制备方法，包括以下操作步骤： ⑴混粉 将以下质量百分比的单质粉末在混粉机中混合均匀：Ti 55%?62%，Nbl5%? 24%，Fe 6%?16%，Co 2%?12%，A1 2%?6%,所有组分的质量百分比之和为100% ; (2)高能球磨制备非晶合金粉末 将混合均匀后的粉末进行高能球磨，直至合金粉末中非晶相的体积百分比达到最 高，得到非晶合金粉末； (3)烧结得到高强韧超细晶复合结构钛合金 将步骤（2)得到的非晶合金粉末装入烧结模具内进行烧结，得到高强靭超细晶复 合结构钛合金。 步骤（1)所述单质粉末的平均粒径为75?150 μ m。 步骤（2)所述高能球磨是指在转速为2?5r/s下球磨70?100h ;高能球磨的球 料比为8 :1?12 :1。 [0021 ] 步骤⑵所述的非晶相的体积百分比至少为90%。 步骤⑶所述的烧结工艺条件如下： 烧结设备：放电等离子烧结系统或热压炉； 加热方式：脉冲电流或辐射加热； 烧结温度Ts :TS彡非晶合金粉末的晶化温度+150K，Ts彡非晶合金粉末的熔化温 度-80K，非晶合金粉末的晶化温度和熔化温度在烧结前通过测量得到； 烧结时间：当烧结设备为放电等离子烧结系统时，烧结时间为5?35min，当烧结 设备为热压炉时，烧结时间为30?90min ; 烧结压力：30 ?500MPa。 所述的烧结模具为石墨模具或碳化钨模具；当烧结模具为石墨模具时，烧结压力 为30?50MPa，当烧结模具为碳化钨模具时，烧结压力为50?500MPa。 上述高强韧超细晶复合结构钛合金材料在航天航空材料领域中的应用。 本专利技术的高强韧超细晶复合结构钛合金的制备原理为：高能球磨能制备具有宽过 冷液相区的多组元非晶合金粉末，多组元非晶合金粉末在其过冷液相区内具有粘滞流变行 为，脉冲电流等烧结技术具有烧结机制特殊、烧结时间短等特点。本专利技术的核心是通过改变 烧结过程的升温速率、烧结温度、烧结时间、烧结压力等工艺参数，在烧结机械合金化制备 的非晶合金粉末的过程中，调控其晶化动力学、形核长大理论与粘性流动行为，在获得近全 致密块体材料的同时，获得晶化相种类、形态及其分布可控，晶粒尺寸可控的高强韧超细晶 复合结构钛合金。 本专利技术的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果： (1)本专利技术的高强韧超细晶复合结构钛合金的制备方法采用粉末冶金技术和非晶 晶化法相结合的成形方法，加工过程简单、操作方便，成材率高、节约原材料和近终成形；同 时，复合材料内部界面清洁且其晶粒尺寸可控； ⑵相比以同成分的晶态合金粉末为烧结原材料，本专利技术所用的非晶合金粉末在 其过冷液相区具有粘性流动行为，因而在更低的烧结温度下就能获得近全致密的块体合 金；同时由于非晶合金粉末在高温经历晶化后才开始形核长大，导致制备的块体合金具有 更少的晶粒长大时间，因而具有更加细小的晶粒尺寸； (3)本专利技术所制备的高强籾超细晶复合结构钛合金，综合力学性能远优于铜模铸 造法快速凝固所制备的纳米晶基体/非晶基体+本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强韧超细晶复合结构钛合金，其特征在于：所述钛合金由以下质量百分比的组分组成：Ti 55％～62％，Nb 15％～24％，Fe 6％～16％，Co 2％～12％，Al 2％～6％，所有组分的质量百分比之和为100％。

【技术特征摘要】
1. 一种高强韧超细晶复合结构钛合金，其特征在于：所述钛合金由以下质量百分比的 组分组成：Ti 55%?62%，Nb 15%?24%，Fe 6%?16%，Co 2%?12%，A1 2%?6%， 所有组分的质量百分比之和为100%。2. 根据权利要求1所述的一种高强韧超细晶复合结构钛合金，其特征在于：所述钛合 金具有以富含Ti、Nb元素的体心立方无序固溶体相为基体相，以富含Ti、Co元素的等轴晶 第二相为增强相的微观结构。3. 权利要求1或2所述的一种高强韧超细晶复合结构钛合金的制备方法，其特征在于 包括以下操作步骤： (1) 混粉 将以下质量百分比的单质粉末在混粉机中混合均匀：Ti 55%?62%，Nbl5%?24%， Fe 6%?16%，Co 2%?12%，A1 2%?6%，所有组分的质量百分比之和为100% ; (2) 高能球磨制备非晶合金粉末 将混合均匀后的粉末进行高能球磨，直至合金粉末中非晶相的体积百分比达到最大 化，得到非晶合金粉末； (3) 烧结得到高强韧超细晶复合结构钛合金 将步骤（2)得到的非晶合金粉末装入烧结模具内进行烧结，得到高强韧超细晶复合结 构钛合金。4. 根据权利要求3所述的一种高强韧超细晶复合结构钛合金的制备方法，其特征在 于：步骤（1)所述单质粉末的平均粒径为75...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨超，刘乐华，丁智，屈盛官，李小强，张卫文，李元元，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44