CN105296802B - 一种高强韧双尺度结构钛合金及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合金加工技术领域，公开了一种高强韧双尺度结构钛合金及其制备方法与应用。所述钛合金成分体系为Ti‑Nb‑Cu‑Co‑Al，各元素的原子百分比为Ti58～70％，Nb9～16％，Cu4～9％，Co4～9％，Al2～8％；其微观组织结构包括微米晶等轴bcc β‑Ti和超细晶等轴bcc β‑Ti双尺度共存，同时微米晶板条fcc CoTi2和超细晶等轴fcc CoTi2双尺度共存，或超细晶板条fcc CoTi2孪晶沿着双尺度基体边界分布，双尺度基体为微米晶bcc β‑Ti内弥散分布纳米针状马氏体α′相。所得钛合金的力学性能具有极大的提升，可用于航天航空、兵器、体育器材等领域。

Description

一种高强韧双尺度结构钛合金及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于合金加工技术领域，具体涉及一种高强韧双尺度结构钛合金及其制备方法与应用。
背景技术
作为从20世纪50年代发展起来的一种重要结构金属，钛合金因其密度低、比强度高、耐热性高和耐蚀性好等优异的综合性能，现已广泛应用于化工、汽车、医疗、航空航天等领域。作为一种重要的工程结构材料，制备出更高比强度与强韧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。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。
目前，He等人在Nature上报道了一种通过改变微观结构来获得高强韧双尺度钛合金的方法，他们通过铜模铸造快速凝固法获得了一系列fcc纳米晶基体+微米晶延性bccβ-Ti树枝晶的双尺度结构钛合金。这种双尺度结构的形成机理如下：合金熔体从高温液相冷却过程中，在半固态温度区间一部分液相优先凝固析出高熔点的bccβ-Ti相，足够的保温时间后bccβ-Ti长大为微米级树枝晶，剩下的液相在随后的快速冷却凝固过程中形成fcc纳米晶基体。在形变过程中，形成的双尺度结构钛合金中的fcc纳米晶基体为材料提供了超高的强度，而延性微米级bccβ-Ti树枝晶贡献于材料的高塑性，其断裂强度大于2000MPa，同时断裂应变大于10％。此后，越来越多关于具有此类纳米晶基体+微米树枝晶的组织结构的高强韧双尺度钛合金成分体系被连续报道。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，所以这种方法制备双尺度结构的成分选择范围比较狭窄；二是铜模铸造过程中冷却速率要求极高，导致制备的这些高强韧双尺度结构钛合金尺寸一般为几个毫米。以上两个因素成为了限制这些高强韧双尺度结构钛合金实际应用的一大瓶颈。
作为一种替代成形技术，粉末冶金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、复杂形状的合金零部件。近年来，随着学科的交叉与融合，一系列结合挤压、锻造和轧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。
有鉴于此，基于上述铜模铸造法采用的钛合金体系，本课题组提出基于非晶晶化理论，通过粉末固结+非晶晶化法制备了一系列高强韧钛合金(强度大于2500MPa的同时断裂应变超过30％)，这种制备方法的机理为：先采用机械合金化制备非晶/纳米晶复合粉末，然后通过粉末固结法将非晶/纳米晶复合粉末固结成形，升温过程中非晶/纳米晶复合粉末中优先析出bccβ-Ti，随后再析出fcc第二相，最终形成等轴超细晶β-Ti基体+等轴超细晶fcc第二相的复合结构。该方法不受冷却速率的限制，不仅能制备大尺寸的块状合金，而且具有更为优越的力学性能。值得注意的是，前述制备fcc纳米晶基体+微米晶β-Ti树枝晶的双尺度结构的铜模铸造法需在半固态温度区间(即固-液共存区间)保温一段时间后再快冷从而得到双尺度结构；且大量研究表明，高熔点bccβ-Ti的熔点通常高于1943K，而低熔点fcc相的熔点通常低于1500K，即在这两个温度范围内合金处于一个较宽的半固态温度区间。然而，上述制备等轴超细晶β-Ti基体+等轴超细晶fcc第二相复合结构的粉末固结+非晶晶化法，其烧结温度始终小于合金的熔化温度；同时，由于bccβ-Ti和fcc两相长大均为固固相变、热力学生长条件基本一样，故未能制备出双尺度结构。
综上所述，如果将以上具有bccβ-Ti和fcc两个晶态相的非晶/纳米晶粉末，在高于低熔点fcc相的熔化温度且低于高熔点的bccβ-Ti的熔化温度之间，也就是在合金的半固态温度区间进行烧结，通过烧结温度、烧结压力、保温时间、冷却速率等半固态烧结工艺参数的合理调控，最终将可能制备出新型的高强韧双尺度结构，该结构可能既不同于铜模铸造法的纳米晶基体+微米级树枝晶的双尺度结构，同时又不同于粉末固结+非晶晶化法的等轴超细晶复合结构，这将对开发新型高性能新结构钛合金材料及其满足工业应用的近净成形工程零件，具有重要的理论和工程意义。
发明内容
基于以上现有技术，本发明的首要目的在于提供一种高强韧双尺度结构钛合金。
本发明的另一目的在于提供上述高强韧双尺度结构钛合金的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述高强韧双尺度结构钛合金的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种高强韧双尺度结构钛合金，所述钛合金的成分体系表示为：Ti-MR-Ma-Mb-Mc，其中MR为Nb、Ta、Mo或V等β-Ti相稳定和提高β-Ti熔点的元素；Ma-Mb为Cr-Co、Cu-Co、Cu-Ni、Fe-Co、Fe-In、Fe-V、Fe-Ga、Fe-Sn或FeGa等相互固溶的元素；Mc为Al、Sn、Ga、In、Bi或Sb等α-Ti相稳定元素；其微观组织结构包括两相组织均为双尺度共存分布，即微米晶等轴bccβ-Ti和超细晶等轴bccβ-Ti双尺度共存，同时微米晶fcc MbTi2和超细晶等轴fcc MbTi2双尺度共存；或其微观组织结构包括超细晶fcc MbTi2孪晶沿着双尺度基体边界分布，双尺度基体为微米晶bccβ-Ti内弥散分布纳米针状马氏体α′相。
优选地，所述钛合金的成分体系为：Ti-Nb-Cu-Co-Al，各元素的原子百分比为Ti58～70at.％，Nb 9～16at.％，Cu 4～9at.％，Co 4～9at.％，Al 2～8at.％，以及不可避免的微量杂质；其微观组织结构包括两相组织均为双尺度共存分布，即微米晶等轴bccβ-Ti和超细晶等轴bccβ-Ti双尺度共存，同时微米晶板条fcc CoTi2和超细晶等轴fcc CoTi2双尺度共存；或其微观组织结构包括超细晶板条fcc CoTi2孪晶沿着双尺度基体边界分布，双尺度基体为微米晶bccβ-Ti内弥散分布纳米针状马氏体α′相。
上述高强韧双尺度结构钛合金的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)混粉：根据具有不同熔点的两个fcc和bcc晶态相的原则设计出合适的合金成分，把单质粉末按比例配料后混合均匀；
(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低熔点fcc相熔化峰特征温度和高熔点bccβ-Ti熔化峰特征温度，包括开始熔化温度、峰值熔化温度和结束熔化温度；
(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，升温至低于低熔点fcc相的熔化峰的开始熔化温度，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，其中低熔点fcc相熔化峰的开始熔化温度≤Ts≤高熔点bccβ-Ti熔化峰的开始熔化温度，在10～500MPa烧结压力下进行半固态烧结加工处理10min～2h；③保压冷却至室温，得到高强韧双尺度结构钛合金。
优选地，步骤(1)中所述的单质粉末的颗粒尺寸为20～100μm。
优选地，步骤(2)中所述的高能球磨是指在转速为2～6r/s下球磨1～100h，球料比为7:1～12:1。在上述球料比范围内，控制转速即可调整高能球磨的时间。
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10～100MPa。
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60～500MPa。
优选地，步骤(3)中所述的冷却至室温是指随炉直接冷却或调节冷却速率为10～250℃/min进行冷却。
上述高强韧双尺度结构钛合金在航天航空、兵器、体育器材等领域中的应用(如较大尺寸、复杂形状、适合工程应用的高强韧合金材料及其近净成形零件，如齿轮、薄壁管、装甲、高尔夫球头等)。
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：
(1)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，其微观组织结构包括两相组织均为双尺度共存分布，即微米晶等轴bccβ-Ti和超细晶等轴bccβ-Ti双尺度共存，同时微米晶板条fcc CoTi2和超细晶等轴fcc CoTi2双尺度共存；或其微观组织结构包括超细晶板条fcc CoTi2孪晶沿着双尺度基体边界分布，双尺度基体为微米晶bccβ-Ti内弥散分布纳米针状马氏体α′相，获得新型双尺度结构高强韧的钛合金；制备的最优性能合金其抗压强度和塑性分别达到3139MPa和42.3％，综合力学性能远高于铜模铸造法所制备的纳米晶基体+延性微米级β-Ti树枝晶结构的双尺度结构钛合金；
(2)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，并且将传统的粉末冶金固-固成形延伸到新型固-液共存的半固态粉末冶金烧结工艺，可在钛合金等多种高熔点合金体系中制备出由纳米晶/超细晶/微米晶等多尺度共存的结构，因此本发明制备方法拓宽了半固态加工工艺适用的合金范围；
(3)本发明中获得的固液共存半固态合金粘度小、易流变、易成形，因而可用于制备形状复杂、近净成形的齿轮、薄壁管、装甲、高尔夫球头等零件，且制备的高强韧双尺度结构钛合金尺寸较大，最终得到的零件不需要或者仅需少量加工并且可以合理设计模具直接成形复杂零件，故本发明提供了一种近净成形零件成形的新方法；
(4)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。
附图说明
图1为实施例1制备的高强韧双尺度结构钛合金的扫描电镜图；
图2为实施例2制备的高强韧双尺度结构钛合金的扫描电镜图和透射电镜图；
图3为实施例2制备的高强韧双尺度结构钛合金的应力应变曲线。
具体实施方式
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。
实施例1
(1)混粉：根据具有明显不同熔点的两个fcc CoTi2和bccβ-Ti晶态相的原则，选取合金成分为Ti68.8Nb13.6Cu5.1Co6Al6.5(原子百分比)，按照所选合金体系质量比进行粉末配料，本实例中选用颗粒尺寸均为75μm的雾化法制备的单质粉末，然后在混粉机中将元素粉末混合均匀。
(2)高能球磨制备合金粉末：将混合均匀的粉末置于氩气保护的行星球磨机(QM-2SP20)中进行高能球磨，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3r/s，每隔10h在氩气保护的手套箱内取3g左右粉末进行X射线衍射和差示扫描量热分析等测试，直到球磨时间为90h后，经X射线衍射检测和透射电子显微分析表明90h球磨的粉末结构为非晶相/β-Ti纳米晶复合粉末，DSC分析表明90h球磨的粉末中fcc CoTi2相熔化峰的开始熔化温度为1138℃，bccβ-Ti熔点通常高于1670℃(1943K)，由于DSC设备只能测试到1300℃，所以DSC曲线未能反映出bccβ-Ti的熔点。尽管如此，依然能够确定当烧结温度介于1138℃和1670℃之间，合金即进入半固态区间。
(3)半固态烧结合金粉末：取20g制备的合金粉末，装入直径为Φ20mm的石墨烧结模具中，粉末用钽纸包裹以防止与杂质发生反应，通过正负石墨电极先预压合金粉末到50MPa，抽真空到10-2Pa，然后充高纯氩气保护；采用脉冲电流快速烧结，工艺条件如下：
烧结设备：Dr.Sintering SPS-825放电等离子烧结系统
烧结方式：脉冲电流
脉冲电流的占空比：12:2
烧结温度Ts：1150℃
烧结压力：30MPa
烧结时间：30MPa压力下11分钟升温到1100℃，然后1分钟升温到1150℃，随后保温5分钟，之后随炉冷却至室温。
经烧结即获得直径为Φ20mm(如果模具尺寸越大，制备的合金材料尺寸也越大)、密度为5.5g/cm3的高强韧双尺度结构钛合金材料。
本实施例得到的高强韧双尺度结构钛合金的扫描电镜图如图1所示。由图1可以看出，其双尺度结构为超细晶等轴bccβ-Ti和微米晶等轴β-Ti共存，同时超细晶等轴fccCoTi2和微米晶板条状CoTi2共存，不同于目前钛合金中报道的双尺度结构；压缩应力应变测试表明，该高强韧双尺度结构钛合金的压缩断裂强度和断裂应变分别为2486MPa和37％。
实施例2
(1)混粉：根据具有明显不同熔点的两个fcc CoTi2和bccβ-Ti晶态相的原则，选取合金成分为Ti68.8Nb13.6Cu5.1Co6Al6.5(原子百分比)，按照所选合金体系质量比进行粉末配料，本实例中选用颗粒尺寸均为75μm的雾化法制备的单质粉末，然后在混粉机中将元素粉末混合均匀。
(2)高能球磨制备合金粉末：将混合均匀的粉末置于氩气保护的行星球磨机(QM-2SP20)中进行高能球磨，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3r/s，每隔10h在氩气保护的手套箱内取3g左右粉末进行X射线衍射和差示扫描量热分析等测试，直到球磨时间为90h后，经X射线衍射检测和透射电子显微分析表明90h球磨的粉末结构为非晶相/β-Ti纳米晶复合粉末，DSC分析表明90h球磨的粉末中fcc CoTi2相熔化峰的开始熔化温度为1138℃。
(3)半固态烧结合金粉末：取20g制备的合金粉末，装入直径为Φ20mm的石墨烧结模具中，粉末用钽纸包裹以防止与杂质发生反应，通过正负石墨电极先预压合金粉末到50MPa，抽真空到10-2Pa，然后充高纯氩气保护；采用脉冲电流快速烧结，工艺条件如下：
烧结设备：Dr.Sintering SPS-825放电等离子烧结系统
烧结方式：脉冲电流
脉冲电流的占空比：12:2
烧结温度Ts：1250℃
烧结压力：30MPa
烧结时间：30MPa压力下12分钟升温到1200℃，然后1分钟升温到1250℃，随后保温5分钟，之后随炉冷却至室温。
经烧结即获得直径为Φ20mm(如果模具尺寸越大，制备的合金材料尺寸也越大)、密度为5.6g/cm3的高强韧双尺度结构钛合金材料。
本实施例得到的高强韧双尺度结构钛合金的扫描电镜图(左)和透射电镜图(右)如图2所示。由图2可以看出，其微观结构包括超细晶fcc CoTi2孪晶沿着双尺度基体边界分布，双尺度基体为微米晶bccβ-Ti内弥散分布纳米针状马氏体α′，不同于目前钛合金中报道的双尺度结构。图3为本实施例所得钛合金的压缩应力应变曲线图，由图3可以看出，其压缩断裂强度和断裂应变分别为3139MPa和42.3％，优于目前文献报道的钛合金的力学性能。
实施例3
(1)混粉：根据具有明显不同熔点的两个fcc CoTi2和bccβ-Ti晶态相的原则，选取合金成分为Ti58Nb16Cu9Co9Al8(原子百分比)，按照所选合金体系质量比进行粉末配料，本实例中选用颗粒尺寸均为70μm的雾化法制备的单质粉末，然后在混粉机中将元素粉末混合均匀。
(2)高能球磨制备合金粉末：将混合均匀的粉末置于氩气保护的行星球磨机(QM-2SP20)中进行高能球磨，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6r/s，每隔10h在氩气保护的手套箱内取3g左右粉末进行X射线衍射和差示扫描量热分析等测试，直到球磨时间为100h后，经X射线衍射检测和透射电子显微分析表明100h球磨的粉末结构为非晶相/β-Ti纳米晶复合粉末，DSC分析表明100h球磨的粉末中fcc CoTi2相熔化峰的开始熔化温度为1156℃。
(3)半固态烧结合金粉末：取20g制备的合金粉末，装入直径为Φ20mm的石墨烧结模具中，粉末用钽纸包裹以防止与杂质发生反应，通过正负石墨电极先预压合金粉末到50MPa，抽真空到10-2Pa，然后充高纯氩气保护；采用脉冲电流快速烧结，工艺条件如下：
烧结设备：Dr.Sintering SPS-825放电等离子烧结系统
烧结方式：脉冲电流
脉冲电流的占空比：12:2
烧结温度Ts：1200℃
烧结压力：100MPa
烧结时间：100MPa压力下11分钟升温到1100℃，然后2分钟升温到1200℃，随后保温5分钟，之后随炉冷却至室温。
经烧结即获得直径为Φ20mm(如果模具尺寸越大，制备的合金材料尺寸也越大)、密度为5.6g/cm3的高强韧双尺度结构钛合金材料。
本实施例得到高强韧双尺度结构钛合金。其双尺度结构为超细晶等轴bccβ-Ti和微米晶等轴β-Ti共存，同时超细晶等轴fcc CoTi2和微米晶板条状CoTi2共存，不同于目前钛合金中报道的双尺度结构；压缩应力应变测试表明，该高强韧双尺度结构钛合金的压缩断裂强度和断裂应变分别为2687MPa和36％。
实施例4
(1)混粉：根据具有明显不同熔点的两个fcc CoTi2和bccβ-Ti晶态相的原则，选取合金成分为Ti70Nb16Cu7.2Co4.8Al2(原子百分比)，按照所选合金体系质量比进行粉末配料，本实例中选用颗粒尺寸均为75μm的雾化法制备的单质粉末，然后在混粉机中将元素粉末混合均匀。
(2)高能球磨制备合金粉末：将混合均匀的粉末置于氩气保护的行星球磨机(QM-2SP20)中进行高能球磨，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6r/s，每隔10h在氩气保护的手套箱内取3g左右粉末进行X射线衍射和差示扫描量热分析等测试，直到球磨时间为80h后，经X射线衍射检测和透射电子显微分析表明80h球磨的粉末结构为非晶相/β-Ti纳米晶复合粉末，DSC分析表明80h球磨的粉末中fcc CoTi2相熔化峰的开始熔化温度为1168℃。
(3)半固态烧结合金粉末：取20g制备的合金粉末，装入直径为Φ20mm的石墨烧结模具中，粉末用钽纸包裹以防止与杂质发生反应，通过正负石墨电极先预压合金粉末到50MPa，抽真空到10-2Pa，然后充高纯氩气保护；采用脉冲电流快速烧结，工艺条件如下：
烧结设备：Dr.Sintering SPS-825放电等离子烧结系统
烧结方式：脉冲电流
脉冲电流的占空比：12:2
烧结温度Ts：1300℃
烧结压力：50MPa
烧结时间：50MPa压力下12分钟升温到1200℃，然后2分钟升温到1300℃，随后保温5分钟，之后随炉冷却至室温。
经烧结即获得直径为Φ20mm(如果模具尺寸越大，制备的合金材料尺寸也越大)、密度为5.5g/cm3的高强韧双尺度结构钛合金材料。
本实施例得到高强韧双尺度结构钛合金，其微观结构包括超细晶fcc CoTi2孪晶沿着双尺度基体边界分布，双尺度基体为微米晶bccβ-Ti内弥散分布纳米针状马氏体α′，不同于目前钛合金中报道的双尺度结构。从本实施例所得钛合金的压缩应力应变曲线图可以看出，其压缩断裂强度和断裂应变分别为2969MPa和40.3％，优于目前文献报道的钛合金的力学性能。
实施例5
(1)混粉：根据具有明显不同熔点的两个fcc CoTi2和bccβ-Ti晶态相的原则，选取合金成分为Ti70Nb9.4Cu7Co6.8Al6.8(原子百分比)，按照所选合金体系质量比进行粉末配料，本实例中选用颗粒尺寸均为70μm的雾化法制备的单质粉末，然后在混粉机中将元素粉末混合均匀。
(2)高能球磨制备合金粉末：将混合均匀的粉末置于氩气保护的行星球磨机(QM-2SP20)中进行高能球磨，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6r/s，每隔10h在氩气保护的手套箱内取3g左右粉末进行X射线衍射和差示扫描量热分析等测试，直到球磨时间为90h后，经X射线衍射检测和透射电子显微分析表明90h球磨的粉末结构为非晶相/β-Ti纳米晶复合粉末，DSC分析表明90h球磨的粉末中fcc CoTi2相熔化峰的开始熔化温度为1175℃。
(3)半固态烧结合金粉末：取20g制备的合金粉末，装入直径为Φ20mm的石墨烧结模具中，粉末用钽纸包裹以防止与杂质发生反应，通过正负石墨电极先预压合金粉末到50MPa，抽真空到10-2Pa，然后充高纯氩气保护；采用脉冲电流快速烧结，工艺条件如下：
烧结设备：Dr.Sintering SPS-825放电等离子烧结系统
烧结方式：脉冲电流
脉冲电流的占空比：12:2
烧结温度Ts：1350℃
烧结压力：30MPa
烧结时间：30MPa压力下13分钟升温到1300℃，然后1分钟升温到1350℃，随后保温5分钟，之后随炉冷却至室温。
经烧结即获得直径为Φ20mm(如果模具尺寸越大，制备的合金材料尺寸也越大)、密度为5.5g/cm3的高强韧双尺度结构钛合金材料。
本实施例得到高强韧双尺度结构钛合金，其微观结构包括超细晶fcc CoTi2孪晶沿着双尺度基体边界分布，双尺度基体为微米晶bccβ-Ti内弥散分布纳米针状马氏体α′，不同于目前钛合金中报道的双尺度结构。从本实施例所得钛合金的压缩应力应变曲线图可以看出，其压缩断裂强度和断裂应变分别为3028MPa和39.8％，优于目前文献报道的钛合金的力学性能。
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。

Claims (8)

1.一种高强韧双尺度结构钛合金，其特征在于，所述钛合金的成分体系为：Ti-Nb-Cu-Co-Al，各元素的原子百分比为Ti 58～70at.％，Nb 9～16at.％，Cu 4～9at.％，Co 4～9at.％，Al 2～8at.％，以及不可避免的微量杂质；其微观组织结构包括两相组织均为双尺度共存分布，即微米晶等轴bcc β-Ti和超细晶等轴bcc β-Ti双尺度共存，同时微米晶板条fcc CoTi2和超细晶等轴fcc CoTi2双尺度共存；或其微观组织结构包括超细晶板条fccCoTi2孪晶沿着双尺度基体边界分布，双尺度基体为微米晶bcc β-Ti内弥散分布纳米针状马氏体α′相。
2.权利要求1所述的一种高强韧双尺度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：根据具有不同熔点的两个fcc和bcc晶态相的原则设计出合适的合金成分，把单质粉末按比例配料后混合均匀；
(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低熔点fcc相熔化峰特征温度和高熔点bccβ-Ti熔化峰特征温度，包括开始熔化温度、峰值熔化温度和结束熔化温度；
(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，升温至低于低熔点fcc相的熔化峰的开始熔化温度，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，其中低熔点fcc相熔化峰的开始熔化温度≤Ts≤高熔点bcc β-Ti熔化峰的开始熔化温度，在10～500MPa烧结压力下进行半固态烧结加工处理10min～2h；③保压冷却至室温，得到高强韧双尺度结构钛合金。
3.根据权利要求2所述的一种高强韧双尺度结构钛合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的单质粉末的颗粒尺寸为20～100μm。
4.根据权利要求2所述的一种高强韧双尺度结构钛合金的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的高能球磨是指在转速为2～6r/s下球磨1～100h，球料比为7:1～12:1。
5.根据权利要求2所述的一种高强韧双尺度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10～100MPa。
6.根据权利要求2所述的一种高强韧双尺度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60～500MPa。
7.根据权利要求2所述的一种高强韧双尺度结构钛合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的冷却至室温是指随炉直接冷却或调节冷却速率为10～250℃/min进行冷却。
8.权利要求1所述的高强韧双尺度结构钛合金在航天航空、兵器、体育器材领域中的应用。
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Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105296802B (zh) 2015-11-03 2017-03-22 华南理工大学 一种高强韧双尺度结构钛合金及其制备方法与应用
CN105925844B (zh) * 2016-06-08 2017-08-29 太原理工大学 一种微纳双尺度颗粒增强钛基复合材料及其制备方法
CN108099482B (zh) * 2016-06-27 2020-06-05 南京溧水高新创业投资管理有限公司 一种电动车车轮
CN106119603A (zh) * 2016-08-15 2016-11-16 谢光玉 一种耐腐蚀合金材料
CN107177807B (zh) * 2017-07-22 2018-08-21 西北有色金属研究院 一种面心立方结构钛的制备方法
CN107475547A (zh) * 2017-07-26 2017-12-15 武汉理工大学 一种双尺度钛合金材料的制备方法
WO2019065543A1 (ja) 2017-09-29 2019-04-04 日立金属株式会社 熱間鍛造材の製造方法
WO2019065542A1 (ja) * 2017-09-29 2019-04-04 日立金属株式会社 熱間鍛造材の製造方法
CN108611506A (zh) * 2018-04-08 2018-10-02 苏州诺弘添恒材料科技有限公司 一种制备高性能钛铜镓记忆合金的方法
CN109097626A (zh) * 2018-10-08 2018-12-28 广州宇智科技有限公司 一种具有高阻尼特性和时效稳定性的亚稳β钛合金
CN110487825B (zh) * 2019-08-01 2021-11-09 中国科学院金属研究所 一种确定TEM观察锆合金中FCC-Zr相最佳方向的复合衍射法
DE102019217654A1 (de) * 2019-11-15 2021-05-20 Taniobis Gmbh Sphärisches Pulver zur Fertigung von dreidimensionalen Objekten
CN111286786B (zh) * 2020-02-24 2021-01-12 上海大学 一种含α+α′相的β相Ti2448生物医用合金单晶的制法及单晶
CN111411248B (zh) * 2020-03-24 2021-07-27 广州铁路职业技术学院（广州铁路机械学校） 一种多尺度结构合金材料、制备方法及其用途
CN114075631B (zh) * 2020-08-11 2023-02-28 上海交通大学 一种具有双尺度晶粒结构的生物钛铋合金植入物制备方法
CN112251639B (zh) * 2020-09-29 2022-05-10 中国科学院金属研究所 一种高强度抗菌钛合金棒材、丝材及其制备方法
CN112322930B (zh) * 2020-09-29 2022-05-10 中国科学院金属研究所 一种低温超塑性钛合金板、棒材及制备方法
CN113215421B (zh) * 2021-04-06 2021-12-21 华南理工大学 一种低应力驱动高弹性全马氏体镍钛合金和制备方法
CN114369779B (zh) * 2021-12-15 2022-10-11 中国科学院金属研究所 一种高强度抗氢脆纯钛及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS599145A (ja) * 1982-07-05 1984-01-18 Agency Of Ind Science & Technol チタン−コバルト多元系水素吸蔵用合金
CN1665949A (zh) * 2002-06-27 2005-09-07 梅莫瑞公司 一种制造超弹性β钛金属物件的方法及由此获得的物品
CN101492781A (zh) * 2008-11-18 2009-07-29 华南理工大学 一种高塑性钛基超细晶复合材料及其制备方法
CN103305722A (zh) * 2013-06-04 2013-09-18 华南理工大学 一种双态结构的高强韧钛基高温合金及其制备方法与应用
CN104232995A (zh) * 2014-09-23 2014-12-24 华南理工大学 一种高强韧超细晶复合结构钛合金及其制备方法与应用

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE524583C2 (sv) * 2002-12-12 2004-08-31 Erasteel Kloster Ab Sammansatt metallprodukt och förfarande för framställning av en sådan
US20060213592A1 (en) * 2004-06-29 2006-09-28 Postech Foundation Nanocrystalline titanium alloy, and method and apparatus for manufacturing the same
WO2009029168A2 (en) * 2007-08-10 2009-03-05 Springfield Munitions Company, Llc Metal composite article and method of manufacturing
CN104674038B (zh) * 2015-02-13 2017-01-25 华南理工大学 一种高强韧合金材料及其半固态烧结制备方法和应用
CN105296802B (zh) 2015-11-03 2017-03-22 华南理工大学 一种高强韧双尺度结构钛合金及其制备方法与应用

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS599145A (ja) * 1982-07-05 1984-01-18 Agency Of Ind Science & Technol チタン−コバルト多元系水素吸蔵用合金
CN1665949A (zh) * 2002-06-27 2005-09-07 梅莫瑞公司 一种制造超弹性β钛金属物件的方法及由此获得的物品
CN101492781A (zh) * 2008-11-18 2009-07-29 华南理工大学 一种高塑性钛基超细晶复合材料及其制备方法
CN103305722A (zh) * 2013-06-04 2013-09-18 华南理工大学 一种双态结构的高强韧钛基高温合金及其制备方法与应用
CN104232995A (zh) * 2014-09-23 2014-12-24 华南理工大学 一种高强韧超细晶复合结构钛合金及其制备方法与应用

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