CN109689907A - 含钛合金及相关的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一般地描述了含钛合金。根据某些实施方案，含钛合金是纳米晶体。根据某些实施方案，含钛合金具有高的相对密度。根据某些实施方案，含钛合金可以是相对稳定的。本文还描述了本发明的用于制造含钛合金的方法。根据某些实施方案，本发明的用于制造含钛合金的方法可以包括烧结包含钛和至少一种另外的金属的纳米晶体颗粒以形成含钛纳米晶体合金。

Description

含钛合金及相关的制造方法
相关申请
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2016年9月7日提交的题为“Stable Nano-Duplex Titanium-Magnesium Alloys”的美国临时申请第62/384,232号的优先权，其出于所有目的通过引用整体并入本文。
技术领域
一般地描述了含钛合金及相关的制造方法。
背景技术
纳米晶体材料可能易受晶粒生长的影响。在某些情况下，用于基于钛的合金的现有烧结技术使得难以生产具有小晶粒尺寸和高相对密度二者的纳米晶体材料，包括块状纳米晶体材料。期望改进的系统和方法以及相关的金属合金。
发明内容
一般地描述了含钛合金。根据某些实施方案，含钛合金是纳米晶体。根据某些实施方案，含钛合金具有高的相对密度。根据某些实施方案，含钛合金可以是相对稳定的。本文还描述了本发明的用于制造含钛合金的方法。根据某些实施方案，本发明的用于制造含钛合金的方法可以包括烧结包含钛和至少一种另外的金属的纳米晶体颗粒以形成含钛纳米晶体合金。在一些情况下，本发明的主题涉及相互关联的产品、特定问题的替代解决方案、和/或一个或更多个体系和/或制品的多种不同用途。
根据一个方面，提供了本发明的金属合金。
某些实施方案涉及包含Ti、第二金属的烧结纳米晶体金属合金，其中Ti是烧结纳米晶体金属合金中按原子百分比计最丰富的金属，烧结纳米晶体金属合金的相对密度为至少80％。
根据一些实施方案，烧结纳米晶体金属合金包含Ti和第二金属，其中第二金属和Ti表现出混溶间隙，烧结纳米晶体金属合金的相对密度为至少80％。
一些实施方案涉及包含Ti和第二金属的块状纳米晶体金属合金，其中Ti是块状纳米晶体金属合金中按原子百分比计最丰富的金属，块状纳米晶体金属合金在大于或等于100℃的温度下基本上稳定。
某些实施方案涉及包含Ti和第二金属的块状纳米晶体金属合金，其中Ti是块状纳米晶体金属合金中按原子百分比计最丰富的金属，块状纳米晶体金属合金的平均晶粒尺寸小于300nm。
根据一些实施方案，金属合金包含Ti和Mg，其中金属合金的相对密度大于或等于80％。在一些这样的实施方案中，金属合金包括纳米双相结构，所述纳米双相结构包含富Ti晶粒和富Mg析出物或由富Ti晶粒和富Mg析出物组成。
在另一个方面中，提供了形成金属合金的方法。
根据一些实施方案，形成纳米晶体金属合金的方法包括烧结多个纳米晶体颗粒以形成纳米晶体金属合金，其中至少一些纳米晶体颗粒包含Ti和第二金属，Ti是至少一些纳米晶体颗粒中按原子百分比计最丰富的金属。
根据某些实施方案，形成纳米晶体金属合金的方法包括烧结多个纳米晶体颗粒以形成纳米晶体金属合金，其中至少一些纳米晶体颗粒包含Ti和第二金属；烧结多个纳米晶体颗粒包括将纳米晶体颗粒加热至大于或等于300℃且小于或等于850℃的第一烧结温度持续大于或等于10分钟且小于或等于24小时的烧结时间。
在一些实施方案中，形成纳米晶体金属合金的方法包括烧结多个纳米晶体颗粒以形成纳米晶体金属合金，其中至少一些纳米晶体颗粒包含Ti和第二金属；烧结多个纳米晶体颗粒包括加热纳米晶体颗粒，使得纳米晶体颗粒不经历大于或等于1200℃的温度超过24小时。
根据某些实施方案，形成纳米晶体金属合金的方法包括烧结多个纳米晶体颗粒以形成纳米晶体金属合金；其中至少一些纳米晶体颗粒包含Ti和第二金属；Ti是在至少一些纳米晶体颗粒中按原子百分比计最丰富的金属；并且烧结包括将纳米晶体颗粒加热至第一烧结温度，所述第一烧结温度低于在不存在第二金属的情况下使Ti烧结所需的第二温度。
在一些实施方案中，形成纳米晶体金属合金的方法包括烧结多个纳米晶体颗粒以形成纳米晶体金属合金，其中至少一些纳米晶体颗粒包含Ti和第二金属；并且第二金属和Ti表现出混溶间隙。
在某些实施方案中，形成纳米晶体金属合金的方法包括烧结多个纳米晶体颗粒以形成纳米晶体金属合金，其中至少一些纳米晶体颗粒包含Ti和第二金属；Ti是至少一些纳米晶体颗粒中按原子百分比计最丰富的金属；并且纳米晶体金属合金的相对密度为至少80％。
根据一些实施方案，形成金属合金的方法包括烧结包含Ti和Mg的粉末以产生金属合金，其中金属合金的相对密度大于或等于80％。在一些这样的实施方案中，该方法还包括研磨元素Ti和Mg的粉末。例如，可以混合并研磨元素Ti和Mg的粉末(例如，以实现过饱和并将晶粒尺寸减小至纳米级)。在一些这样的实施方案中，可以在烧结之前对粉末进行压缩。根据一些这样的实施方案，开发了由富Ti晶粒和富Mg析出物组成的纳米双相结构。
当结合附图考虑时，本发明的其他优点和新特征将由以下本发明的各种非限制性实施方案的详细描述而变得明显。在本说明书与通过引用并入的文件包括冲突和/或不一致的公开内容的情况下，应当以本说明书为准。
附图说明
将参照附图通过示例的方式描述本发明的非限制性实施方案，附图是示意性的并且不旨在按比例绘制。在图中，示出的每个相同或几乎相同的部件通常由单一数字表示。为了清楚起见，并非每个部件都标记在每个图中，在不需要图示以使本领域普通技术人员理解本发明的情况下，也没有示出本发明的每个实施方案的每个部件。在图中：
图1A至1C是示出根据某些实施方案的烧结过程的示意图；
图2是根据一些实施方案的多种金属与钛的偏析焓ΔH偏析(kJ/mol)相对于混合焓ΔH混合(kJ/mol)的图。
图3示出了根据某些实施方案的纳米晶体粉末样品的一系列X射线衍射(XRD)光谱。
图4是根据一些实施方案的包含钛和10原子％Mg、20原子％Mg、和30原子％Mg的纳米晶体粉末的晶粒尺寸和晶格参数的图。
图5是根据一些实施方案的包含钛和10原子％Mg、20原子％Mg、和30原子％Mg的纳米晶体粉末的一系列TEM图像和相应的电子衍射图案；
图6是根据一些实施方案的来自Ti-20原子％Mg的TEM的电子衍射图案；
图7A至7B是根据某些实施方案的作为包含不同原子百分比的钛和镁的粉末的经冷压并覆盖有钽(Ta)箔(图7A)或铜(Cu)管(图7B)的样品的一组照片；
图8是根据一些实施方案的相对密度作为施加的载荷的函数的图；
图9是根据一些实施方案的相对密度的变化作为烧结温度的函数的图；
图10A至10C示出了根据某些实施方案的在500℃下烧结8小时后的Ti-20at％Mg的扫描透射电子显微镜-能量色散x射线光谱(STEM-EDS)图像；
图11是根据某些实施方案的烧结前(虚线)和烧结后(实线)的XRD图；
图12是根据一些实施方案的烧结后的金属合金的STEM图像；以及
图13是根据某些实施方案的烧结后的金属合金的STEM图像。
具体实施方式
由于晶界的体积分数大，纳米晶体金属相对于其微晶对应物具有某些优点。作为一个实例，纳米晶体合金通常具有明显更高的拉伸强度。然而，纳米晶体金属主要被处理成薄膜，因为在处理块状材料时保留纳米级晶粒要困难得多。
本公开内容一般地涉及包含钛的金属合金。根据某些实施方案，包含钛的金属合金是纳米晶体金属合金。本文所述的某些金属合金可以在保持其纳米晶体特性的同时具有高相对密度。此外，根据某些实施方案，金属合金可以是块状金属合金。本文所述的某些金属合金对晶粒生长是稳定的。
本文还描述了本发明的用于制造含钛合金的方法。例如，某些实施方案涉及这样的烧结方法，其中烧结在相对低的温度下和/或在相对短的时间段内实现。根据一些实施方案，并且如下面更详细描述的，可以进行烧结使得不期望的晶粒生长受到限制或被消除(例如，通过选择材料和/或烧结条件)。某些实施方案涉及这样的认识：可以在相对短的时间内和/或在相对低的温度下烧结含钛材料同时保持纳米结晶度。
本文描述的某些实施方案可以提供相对于现有制品、系统和方法的优点。例如，根据某些(但不一定是全部)实施方案，含钛金属合金可以具有高强度、高硬度和/或高抗晶粒生长性。根据一些(但不一定是全部)实施方案，例如，由于所采用的相对短的烧结时间和/或相对低的烧结温度，本文所述的用于形成金属合金的方法可以利用相对少量的能量。
如上所述，某些实施方案涉及发明的金属合金。根据某些实施方案，金属合金包含钛和至少一种另外的金属。
根据某些实施方案，金属合金包含钛(Ti)。根据一些实施方案，金属合金可以包含相对大量的钛。例如，在一些实施方案中，Ti是金属合金中按原子百分比计最丰富的金属。(原子百分比在本文中缩写为“原子％”或“at％”。)根据某些实施方案，Ti以如下量存在于金属合金中：至少50原子％、至少55原子％、至少60原子％、至少70原子％、至少80原子％、至少90原子％、或至少95原子％。在一些实施方案中，Ti以如下量存在于金属合金中：多至96原子％、多至97原子％、多至98原子％或更大。这些范围的组合也是可能的。其他值也是可能的。
本文所述的金属合金可以包含第二金属。本文中使用的短语“第二金属”用于描述不是Ti的任何金属元素。本文中使用的术语“元素”是指周期表中发现的元素。“金属元素”是周期表第1至12族中发现的除了氢(H)之外的那些；周期表第13族中的Al、Ga、In、Tl和Nh；周期表第14族中的Sn、Pb和Fl；周期表第15族中的Bi和Mc；周期表第16族中的Po和Lv；镧系元素；和锕系元素。在一些实施方案中，第二金属是难熔金属元素(例如，Nb、Ta、Mo、W和/或Re)。在一些实施方案中，第二金属是过渡金属(即，周期表第3至12族中的任一种)。在一些实施方案中，第二金属是镧系元素(原子序数为57至71的元素，包括端值)。在一些实施方案中，第二金属是稀土元素，例如，钪(Sc)、钇(Y)或镧系元素。在一些实施方案中，第二金属是锕系元素(原子序数为89至103的元素，包括端值)。根据某些实施方案，第二金属选自：锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)、钫(Fr)、铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、镭(Ra)、钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、锕(Ac)、钍(Th)、镤(Pa)、铀(U)、镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、锔(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、镄(Fm)、钔(Md)、锘(no)和铹(Lr)、锆(Zr)、铪(Hf)、(Rf)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、(Db)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、(Sg)、锰(Mn)、锝(Tc)、铼(Re)、(Bh)、铁(Fe)、钌(Ru)、锇(Os)、(Hs)、钴(Co)、铑(Rh)、铱(Ir)、(Mt)、镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、(Ds)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、(Rg)、锌(Zn)、镉(Cd)、汞(Hg)、鎶(Cn)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl)、鉨(Nh)、锡(Sn)、铅(Pb)、鈇(Fl)、铋(Bi)、镆(Mc)、钋(Po)和鉝(Lv)。在一些实施方案中，金属合金可以包含这些中的两种或更多种的组合。
根据某些实施方案，第二金属包括碱土金属。本文中使用的短语“碱土金属”用于描述周期表第2族中的元素(即Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra)。在某些实施方案中，第二金属选自Mg、La、Y、Th、Sc、Cr、Ag、Fe、Mn、Cu和Li。在一些实施方案中，第二金属是Mg。
根据某些实施方案，第二金属和Ti表现出混溶间隙。当两种元素的相图包括其中该两种元素的混合物作为两个或更多个相而存在的区域时，这两种元素被称为表现出“混溶间隙”。在其中第二金属和Ti表现出混溶间隙的一些实施方案中，第二金属和Ti可以存在于金属合金的至少两个相中。
在一些实施方案中，Ti至少部分地可溶于第二金属。例如，在一些实施方案中，Ti和第二金属形成固溶体。
第二金属可以以多种合适的百分比存在于金属合金中。根据某些实施方案，第二金属以如下量存在于金属合金中：小于或等于40原子％、小于或等于35原子％、小于或等于32原子％、小于或等于30原子％、小于或等于25原子％、小于或等于22原子％、小于或等于20原子％、小于或等于15原子％、或者小于或等于12原子％。在一些实施方案中，第二金属以如下量存在于金属合金中：至少1原子％、至少2原子％、至少3原子％、至少4原子％、至少5原子％、至少6原子％、至少7原子％、至少8原子％、至少9原子％、至少10原子％或更大。这些范围的组合也是可能的。例如，在一些实施方案中，第二金属以金属合金的1原子％至40原子％的量存在于金属合金中。在一些实施方案中，第二金属以金属合金的8原子％至32原子％的量存在于金属合金中。其他值也是可能的。
在一些实施方案中，第二金属可以是相对于Ti的活化剂元素。活化剂元素是使材料的烧结速率相对于在不存在活化剂元素但其他条件相同的条件下观察到的烧结速率增加的那些元素。下面更详细地描述活化剂元素。
在某些实施方案中，相对于Ti，第二金属可以是稳定剂元素。稳定剂元素是使材料的晶粒生长速率相对于在不存在稳定剂元素但其他条件相同的条件下观察到的晶粒生长速率降低的那些元素。下面更详细地描述稳定剂元素。在一些实施方案中，第二金属可以是稳定剂元素和活化剂元素两者。
根据某些实施方案，可以基于以下条件中的一个或更多个选择第二金属(例如，用于与Ti形成合金)：
1.纳米晶体晶粒尺寸的热力学稳定；
2.相分离区，其在烧结温度以上延伸；
3.熔融温度较低的第二(例如溶质)元素；和/或
4.Ti在析出的第二相中的溶解度。
根据一些实施方案，第二金属(例如，Mg)与Ti形成纳米双相结构。例如，在一些实施方案中，金属合金包含由富Ti晶粒和富Mg析出物组成的纳米双相结构。在一些实施方案中，即使在500℃(其为Mg的熔融温度的84％和Ti的熔融温度的30％)下8小时后也可以保持晶粒尺寸为约110nm的纳米晶体结构。根据一些实施方案，对于Ti-20原子％Mg和Ti-30原子％Mg，可以实现高的相对密度。
在一些实施方案中，金属合金仅包含Ti和第二金属(即，Ti和第二金属，没有另外的金属或其他元素)。在另一些实施方案中，金属合金包含Ti、第二金属和第三元素。例如，在一些实施方案中，金属合金包含第三金属(除了Ti和第二金属之外)。本文中使用的短语“第三金属”用于描述不是Ti且不是第二金属的金属。
第三金属可以以多种合适的百分比存在于金属合金中。根据某些实施方案，第三金属以如下量存在于金属合金中：小于或等于40原子％、小于或等于35原子％、小于或等于32原子％、小于或等于30原子％、小于或等于25原子％、小于或等于22原子％、小于或等于20原子％、小于或等于15原子％、或者小于或等于12原子％。在一些实施方案中，第三金属以如下量存在于金属合金中：至少1原子％、至少2原子％、至少3原子％、至少4原子％、至少5原子％、至少6原子％、至少7原子％、至少8原子％、至少9原子％、至少10原子％或更大。这些范围的组合也是可能的。其他值也是可能的。
根据某些实施方案，第三金属可以是稳定剂元素、活化剂元素、或者稳定剂元素和活化剂元素两者。
在一些实施方案中，金属合金包含Mg、La、Y、Th、Sc、Cr、Ag、Fe、Mn、Cu和Li中的至少一者和Ti。在一些实施方案中，金属合金包含La、Y、Th、Sc、Cr、Ag、Fe、Mn、Cu和Li中的至少一者和Ti、Mg。
根据某些实施方案，金属合金中不为Ti的所有金属元素(例如，第二金属、任选的第三金属和任何另外的任选金属)的总量占金属合金的小于50原子％、小于或等于40原子％、小于或等于35原子％、小于或等于32原子％、小于或等于30原子％、小于或等于25原子％、小于或等于22原子％、小于或等于20原子％、小于或等于15原子％、或者小于或等于12原子％。在一些实施方案中，金属合金中不为Ti的所有金属元素(例如，第二金属、任选的第三金属和任何另外的任选金属)的总量占至少1原子％、至少2原子％、至少3原子％、至少4原子％、至少5原子％、至少6原子％、至少7原子％、至少8原子％、至少9原子％、至少10原子％或更大。这些范围的组合也是可能的。其他值也是可能的。
根据某些实施方案，金属合金是纳米晶体金属合金。纳米晶体材料通常是指包含晶粒尺寸小于或等于1000nm的至少一些晶粒的材料。在一些实施方案中，纳米晶体材料包含具有如下晶粒尺寸的晶粒：小于或等于900nm、小于或等于800nm、小于或等于700nm、小于或等于600nm、小于或等于500nm、小于或等于400nm、小于或等于300nm、小于或等于200nm、小于或等于100nm、小于或等于50nm、或者小于或等于20nm。因此，在金属合金的情况下，纳米晶体金属合金是包含晶粒尺寸小于或等于1000nm的晶粒的金属合金。在一些实施方案中，纳米晶体金属合金包含具有如下晶粒尺寸的晶粒：小于或等于900nm、小于或等于800nm、小于或等于700nm、小于或等于600nm、小于或等于500nm、小于或等于400nm、小于或等于300nm、小于或等于200nm、小于或等于150nm、小于或等于125nm、小于或等于100nm、小于或等于50nm、或者小于或等于20nm。其他值也是可能的。
晶粒的“晶粒尺寸”通常是指晶粒的最大尺寸。根据晶粒的几何形状，最大尺寸可以是晶粒的直径、长度、宽度或高度。根据某些实施方案，晶粒可以是球形、立方形、锥形、柱形、针状或任何其他合适的几何形状。
根据某些实施方案，金属合金体积的相对大的百分比由小晶粒构成。例如，在一些实施方案中，金属合金的体积的至少50％、至少75％、至少90％、至少95％、至少99％或基本上全部由具有以下晶粒尺寸的晶粒构成：小于或等于1000nm、小于或等于900nm、小于或等于800nm、小于或等于700nm、小于或等于600nm、小于或等于500nm、小于或等于400nm、小于或等于300nm、小于或等于200nm、小于或等于150nm、小于或等于125nm、小于或等于100nm、小于或等于50nm、或者小于或等于20nm。其他值也是可能的。
根据某些实施方案，金属合金可以具有相对小的平均晶粒尺寸。材料(例如，金属合金)的“平均晶粒尺寸”是指材料中晶粒的晶粒尺寸的数量平均值。根据某些实施方案，金属合金(例如，块状和/或纳米晶体金属合金)的平均晶粒尺寸小于或等于1000nm、小于或等于900nm、小于或等于800nm、小于或等于700nm、小于或等于600nm、小于或等于500nm、小于或等于400nm、小于或等于300nm、小于或等于200nm、小于或等于150nm、小于或等于125nm、小于或等于100nm、小于或等于50nm、或者小于或等于20nm。在某些实施方案中，金属合金的平均晶粒尺寸小至25nm、小至10nm、小至1nm或更小。这些范围的组合也是可能的。其他值也是可能的。
根据某些实施方案，金属合金的贯穿金属合金几何中心的至少一个截面具有小的体积平均截面晶粒尺寸。通过如下来确定金属合金的给定截面的“体积平均截面晶粒尺寸”：获得物体的截面，在物体的截面图像(可以是放大图像，例如由透射电子显微镜获得的图像)中描绘每个晶粒的周边，并计算每个描绘的晶粒截面的圆形当量直径Di。晶粒截面的“圆形当量直径”对应于面积(A，由A＝πr2确定)与物体的截面中的晶粒的截面面积相等的圆的直径。体积平均截面晶粒尺寸(GCS,平均)如下计算：
其中n是截面中的晶粒数，Di是晶粒i的圆形当量直径。
根据某些实施方案，金属合金的贯穿金属合金几何中心的至少一个截面的体积平均截面晶粒尺寸小于或等于1000nm、小于或等于900nm、小于或等于800nm、小于或等于700nm、小于或等于600nm、小于或等于500nm、小于或等于400nm、小于或等于300nm、小于或等于200nm、小于或等于150nm、小于或等于125nm、小于或等于100nm、小于或等于50nm、或者小于或等于20nm。在某些实施方案中，金属合金的贯穿金属合金几何中心的至少一个截面的体积平均截面晶粒尺寸小至25nm、小至10nm、小至1nm或更小。这些范围的组合也是可能的。其他值也是可能的。
根据某些实施方案，金属合金的至少一个截面(任选地，贯穿金属合金的几何中心)的体积平均截面晶粒尺寸小于或等于1000nm、小于或等于900nm、小于或等于800nm、小于或等于700nm、小于或等于600nm、小于或等于500nm、小于或等于400nm、小于或等于300nm、小于或等于200nm、小于或等于150nm、小于或等于125nm、小于或等于100nm、小于或等于50nm、或者小于或等于20nm(和/或小至25nm、小至10nm、小至1nm或更小)；以及金属合金的与第一截面正交的至少第二截面(任选地，贯穿金属合金的几何中心)的体积平均截面晶粒尺寸小于或等于1000nm、小于或等于900nm、小于或等于800nm、小于或等于700nm、小于或等于600nm、小于或等于500nm、小于或等于400nm、小于或等于300nm、小于或等于200nm、小于或等于150nm、小于或等于125nm、小于或等于100nm、小于或等于50nm、或者小于或等于20nm(和/或小至25nm、小至10nm、小至1nm或更小)。其他值也是可能的。
根据某些实施方案，金属合金的至少一个截面(任选地，贯穿金属合金的几何中心)的体积平均截面晶粒尺寸小于或等于1000nm、小于或等于900nm、小于或等于800nm、小于或等于700nm、小于或等于600nm、小于或等于500nm、小于或等于400nm、小于或等于300nm、小于或等于200nm、小于或等于150nm、小于或等于125nm、小于或等于100nm、小于或等于50nm、或者小于或等于20nm(和/或小至25nm、小至10nm、小至1nm或更小)；金属合金的与第一截面正交的至少第二截面(任选地，也贯穿金属合金的几何中心，或者是其他情况)的体积平均截面晶粒尺寸小于或等于1000nm、小于或等于900nm、小于或等于800nm、小于或等于700nm、小于或等于600nm、小于或等于500nm、小于或等于400nm、小于或等于300nm、小于或等于200nm、小于或等于150nm、小于或等于125nm、小于或等于100nm、小于或等于50nm、或者小于或等于20nm(和/或小至25nm、小至10nm、小至1nm或更小)；以及金属合金的与第一截面正交并且与第二截面正交的至少第三截面(任选地，也贯穿金属合金的几何中心)的体积平均截面晶粒尺寸小于或等于1000nm、小于或等于900nm、小于或等于800nm、小于或等于700nm、小于或等于600nm、小于或等于500nm、小于或等于400nm、小于或等于300nm、小于或等于200nm、小于或等于150nm、小于或等于125nm、小于或等于100nm、小于或等于50nm、或者小于或等于20nm(和/或小至25nm、小至10nm、小至1nm或更小)。
在一些实施方案中，金属合金包含相对等轴的晶粒。在某些实施方案中，金属合金中的至少一部分晶粒的纵横比小于或等于2、小于或等于1.8、小于或等于1.6、小于或等于1.4、小于或等于1.3、小于或等于1.2、或者小于或等于1.1(并且在一些实施方案中，低至1)。晶粒的纵横比被计算为晶粒的贯穿晶粒几何中心的最大截面尺寸除以晶粒的与晶粒的最大截面尺寸正交的最大尺寸。晶粒的纵横比以单个数字表示，其中1对应于等轴晶粒。在一些实施方案中，金属合金中晶粒的纵横比的数量平均值小于或等于2、小于或等于1.8、小于或等于1.6、小于或等于1.4、小于或等于1.3、小于或等于1.2、或者小于或等于1.1(并且在一些实施方案中，低至1)。
不希望受任何特定理论的束缚，认为当在没有(或基本上不没有)施加的压力的情况下(例如，通过无压或基本上无压的烧结过程)生产金属合金时，可能存在相对等轴的晶粒。
在某些实施方案中，金属合金包含相对低的截面平均晶粒纵横比。在一些实施方案中，金属合金中的截面平均晶粒纵横比小于或等于2、小于或等于1.8、小于或等于1.6、小于或等于1.4、小于或等于1.3、小于或等于1.2、或者小于或等于1.1(并且，在一些实施方案中，低至1)。如果金属合金的贯穿金属合金几何中心的至少一个截面由平均纵横比落入该范围内的晶粒截面构成，则金属合金的“截面平均晶粒纵横比”被认为落入特定范围内。例如，如果金属合金包括贯穿金属合金的几何中心的至少一个截面，并且其中该截面由平均纵横比小于2的晶粒截面构成，则金属合金的截面平均晶粒纵横比将小于2。为了确定构成金属合金的截面的晶粒截面的平均纵横比(在本文中也称为“晶粒截面的平均纵横比”)：获得金属合金的截面，在金属合金的截面图像(可以是放大图像，例如由透射电子显微镜获得的图像)中描绘每个晶粒的周边，并计算每个描绘的晶粒截面的纵横比。晶粒截面的纵横比被计算为晶粒截面的最大截面尺寸(其贯穿晶粒截面的几何中心)除以晶粒截面的与晶粒截面的最大截面尺寸正交的最大尺寸。晶粒截面的纵横比以单个数字表示，其中1对应于等轴晶粒截面。构成金属合金截面的晶粒截面的平均纵横比(AR平均)被计算为数量平均值：
其中n是截面中的晶粒数，ARi是晶粒i的截面的纵横比。
根据某些实施方案，截面平均晶粒纵横比落入特定范围(例如，本文其他地方所述的任何范围)的金属合金具有贯穿金属合金的几何中心并且晶粒截面的平均纵横比落入该范围内的第一截面，以及贯穿金属合金的几何中心并且晶粒截面的平均纵横比落入该范围内的与第一截面正交的至少第二截面。例如，根据某些实施方案，截面平均晶粒纵横比小于2的金属合金包括贯穿金属合金的几何中心并且晶粒截面的平均纵横比小于2的截面，以及贯穿金属合金的几何中心并且晶粒截面的平均纵横比小于2的与第一截面正交的至少第二截面。
根据某些实施方案，截面平均晶粒纵横比落入特定范围(例如，本文其他地方所述的任何范围)的金属合金具有贯穿金属合金的几何中心并且晶粒截面的平均纵横比落入该范围内的第一截面；贯穿金属合金的几何中心并且晶粒截面的平均纵横比落入该范围内的与第一截面正交的第二截面；以及贯穿金属合金的几何中心并且晶粒截面的平均纵横比落入该范围内的与第一截面和第二截面正交的至少第三截面。例如，根据某些实施方案，截面平均晶粒纵横比小于2的金属合金包括贯穿金属合金的几何中心并且晶粒截面的平均纵横比小于2的第一截面，贯穿金属合金的几何中心并且晶粒截面的平均纵横比小于2的与第一截面正交的第二截面，以及贯穿金属合金的几何中心并且晶粒截面的平均纵横比小于2的与第一截面和第二截面正交的至少第三截面。
根据某些实施方案，金属合金内的晶粒可以相对较小并且相对等轴。例如，根据某些实施方案，至少一个截面(并且在一些实施方案中，与第一截面正交的至少第二截面和/或与第一截面和第二截面正交的至少第三截面)可以具有落入以上或本文其他地方概述的任何范围内的体积平均截面晶粒尺寸和晶粒截面的平均纵横比。
根据某些实施方案，金属合金可以是块状金属合金(例如，块状纳米晶体金属合金)。“块状金属合金”是不为薄膜形式的金属合金。在某些实施方案中，块状金属合金的最小尺寸为至少1微米。在一些实施方案中，块状金属合金的最小尺寸为至少10微米、至少25微米、至少50微米、至少100微米、至少500微米、至少1毫米、至少1厘米、至少10厘米、至少100厘米、或至少1米。其他值也是可能的。根据某些实施方案，金属合金不是涂层的形式。
在某些实施方案中，金属合金占至少1mm3、至少5mm3、至少10mm3、至少0.1cm3、至少0.5cm3、至少1cm3、至少10cm3、至少100cm3或至少1m3的体积。其他值也是可能的。
根据某些实施方案，金属合金包含多个相。例如，在一些实施方案中，金属合金是双相金属合金。
在一些实施方案中，金属合金具有高的相对密度。术语“相对密度”是指实验测量的金属合金密度与金属合金的最大理论密度之比。“相对密度”(ρrel)以百分比表示，并且如下计算：
其中ρ测量是实验测量的金属合金密度，ρ最大是具有与金属合金相同组成的合金的最大理论密度。
在一些实施方案中，金属合金(例如，烧结金属合金、纳米晶体金属合金、和/或块状金属合金)的相对密度为至少80％、至少85％、至少90％、至少92％、至少95％、至少96％、至少97％、至少98％、或至少99％(和/或，在某些实施方案中，多至99.8％、多至99.9％或更大)。在一些实施方案中，纳米晶体合金的相对密度为100％。其他值也是可能的。
根据某些实施方案，金属合金是完全致密的。如本文使用的术语“完全致密”(或“全密度”)是指相对密度为至少98％的材料。根据某些实施方案，金属合金的相对密度可能影响金属合金的其他材料特性。因此，通过控制金属合金的相对密度，可以控制金属合金的其他材料特性。
根据某些实施方案，本文所述的金属合金在相对高的温度下可以是稳定的。当金属合金包括如下的贯穿合金的几何中心的至少一个截面时，金属合金被称为在特定温度下“基本上稳定”：其中当将金属合金在氩气气氛中加热至该温度持续24小时时，所述至少一个截面的体积平均截面晶粒尺寸(如上所述)增加不超过20％(相对于原始的体积平均截面晶粒尺寸)。本领域普通技术人员能够通过如下来确定金属合金在特定温度下是否稳定：取制品的截面，确定在25℃下该截面的体积平均截面晶粒尺寸，在氩气气氛中将截面加热至特定温度持续24小时，使截面冷却回到25℃，并确定加热后截面的体积平均截面晶粒尺寸。如果截面在加热步骤之后的体积平均截面晶粒尺寸小于截面在加热步骤之前的体积平均截面晶粒尺寸的120％，则金属合金被称为稳定的。根据某些实施方案，在特定温度下稳定的金属合金包括贯穿金属合金的几何中心的至少一个截面，其中当将物体在氩气气氛中加热至该温度持续24小时时，所述至少一个截面的体积平均截面晶粒尺寸增加不超过15％、不超过10％、不超过5％、或不超过2％(相对于原始的体积平均晶粒尺寸)。
在一些实施方案中，金属合金在大于或等于100摄氏度(℃)的至少一个温度下基本上稳定。在某些实施方案中，金属合金在如下的至少一个温度下基本上稳定：大于或等于200℃、大于或等于300℃、大于或等于400℃、大于或等于500℃、大于或等于600℃、大于或等于700℃、大于或等于800℃、大于或等于900℃、大于或等于1000℃、大于或等于1100℃、大于或等于1200℃、大于或等于1300℃、或者大于或等于1400℃。其他范围也是可能的。
本文描述的某些金属合金是烧结金属合金。下面更详细地描述可用于生产根据本公开内容的金属合金的示例性烧结方法。
本文还描述了本发明的形成金属合金(例如，烧结金属合金、块状金属合金和/或纳米晶体金属合金)的方法。可以使用本文所述的某些本发明的方法来形成以上和本文其他地方所述的本发明的金属合金。例如，可以使用本文所述的某些方法来形成纳米晶体金属合金，例如，包括以上或本文其他地方所述的任何晶粒尺寸和/或晶粒尺寸分布的纳米晶体金属合金。可以使用本文所述的某些方法来形成具有高相对密度(包括以上或本文其他地方所述的任何相对密度)的金属合金。可以使用本文所述的某些方法来形成块状纳米晶体金属合金，例如，具有以上或本文其他地方所述的任何尺寸的块状纳米晶体金属合金。可以使用本文所述的某些方法来形成稳定的金属合金，例如，具有以上或本文其他地方所述的任何稳定性(例如，抗晶粒生长)的金属合金。
在一些实施方案中，金属合金通过烧结多个颗粒来形成。颗粒的形状可以是例如球形、立方形、锥形、柱形、针状、不规则形或任何其他合适的几何形状。在一些实施方案中，颗粒中的至少一些(例如，至少50％、至少75％、至少90％、或至少95％)是单晶。在某些实施方案中，颗粒中的至少一些(例如，至少50％、至少75％、至少90％、或至少95％)是多晶的。
根据某些实施方案，经烧结的颗粒可以是纳米晶体颗粒。根据某些实施方案，纳米晶体颗粒可以包括具有如下晶粒尺寸的晶粒：小于或等于1000nm、小于或等于900nm、小于或等于800nm、小于或等于700nm、小于或等于600nm、小于或等于500nm、小于或等于400nm、小于或等于300nm、小于或等于200nm、小于或等于150nm、小于或等于125nm、小于或等于100nm、小于或等于50nm、小于或等于40nm、小于或等于30nm、或者小于或等于20nm。根据某些实施方案，至少一些纳米晶体颗粒的晶粒尺寸小于或等于50nm。在一些实施方案中，至少一些纳米晶体颗粒的晶粒尺寸大于或等于5nm且小于或等于25nm。在一些实施方案中，至少一些纳米晶体颗粒的晶粒尺寸大于或等于10nm且小于或等于20nm。
根据某些实施方案，至少一些纳米晶体颗粒包含Ti和/或第二金属。在一些实施方案中，一部分纳米晶体颗粒由Ti构成，而另一部分纳米晶体颗粒由第二金属构成。在某些实施方案中，至少一些纳米晶体颗粒包含Ti和第二金属两者。
在一些实施方案中，Ti是至少一些纳米晶体颗粒中按原子百分比计最丰富的金属。在一些实施方案中，至少一些颗粒包含以至少50原子％、至少55原子％、至少60原子％、至少70原子％、至少80原子％、至少90原子％、或至少95原子％的量的Ti。在一些实施方案中，至少一些颗粒包含多至96原子％、多至97原子％、多至98原子％或更大的量的Ti。这些范围的组合也是可能的。其他值也是可能的。
在一些实施方案中，Ti是颗粒材料中按原子百分比计最丰富的金属。根据某些实施方案，颗粒材料中存在的Ti的总量为颗粒材料的至少50原子％、至少55原子％、至少60原子％、至少70原子％、至少80原子％、至少90原子％、或至少95原子％。在一些实施方案中，颗粒材料中存在的Ti的总量为颗粒材料的多至96原子％、多至97原子％、多至98原子％或更大。这些范围的组合也是可能的。其他值也是可能的。
第二金属可以是例如上述的任何第二金属。
在一些实施方案中，至少一部分颗粒包含如下量的第二金属：小于或等于40原子％、小于或等于35原子％、小于或等于32原子％、小于或等于30原子％、小于或等于25原子％、小于或等于22原子％、小于或等于20原子％、小于或等于15原子％、或者小于或等于12原子％。在一些实施方案中，至少一部分颗粒包含如下量的第二金属：至少1原子％、至少2原子％、至少3原子％、至少4原子％、至少5原子％、至少6原子％、至少7原子％、至少8原子％、至少9原子％、至少10原子％或更大。这些范围的组合也是可能的。例如，在一些实施方案中，至少一部分颗粒包含颗粒材料的1原子％至40原子％的量的第二金属。在一些实施方案中，至少一部分颗粒包含颗粒材料的8原子％至32原子％的量的第二金属。其他值也是可能的。
在一些实施方案中，颗粒材料中第二金属的总量小于或等于颗粒材料的40原子％、小于或等于颗粒材料的35原子％、小于或等于颗粒材料的32原子％、小于或等于颗粒材料的30原子％、小于或等于颗粒材料的25原子％、小于或等于颗粒材料的22原子％、小于或等于颗粒材料的20原子％、小于或等于颗粒材料的15原子％、或者小于或等于颗粒材料的12原子％。在一些实施方案中，颗粒材料中第二金属的总量为颗粒材料的至少1原子％、至少2原子％、至少3原子％、至少4原子％、至少5原子％、至少6原子％、至少7原子％、至少8原子％、至少9原子％、至少10原子％或更大。这些范围的组合也是可能的。例如，在一些实施方案中，颗粒材料中存在的第二金属的总量为颗粒材料的1原子％至40原子％。在一些实施方案中，颗粒材料中存在的第二金属的总量为颗粒材料的8原子％至32原子％。其他值也是可能的。
根据某些实施方案，至少一些纳米晶体颗粒通过对包含Ti和第二金属的粉末进行机械加工而形成。例如，某些实施方案包括通过对包含多个Ti颗粒和多个第二金属颗粒的粉末进行机械加工来至少部分地制造纳米晶体颗粒。某些实施方案包括至少部分地通过对包含Ti和第二金属二者的颗粒进行机械加工来制造纳米晶体颗粒。
在利用机械加工的实施方案中，可以采用任何合适的机械加工方法来对粉末进行机械加工并形成纳米晶体颗粒。根据某些实施方案，至少一些纳米晶体颗粒通过对包含Ti和第二金属的粉末进行球磨而形成。球磨过程可以是例如高能球磨过程。在一个非限制性示例性球磨过程中，可以采用碳化钨或钢研磨小瓶，其中球与粉末的比例为2:1至5:1，并且硬脂酸过程控制剂含量为0.01重量％至3重量％。在一些实施方案中，机械加工可以在存在1重量％、2重量％或3重量％的硬脂酸过程控制剂含量的情况下进行。根据某些另外的实施方案，机械加工在不存在过程控制剂的情况下进行。也可以采用其他类型的机械加工，包括但不限于摇动研磨和行星式研磨。在一些实施方案中，机械加工(例如，通过球磨或另一种过程)可以在足以产生包含过饱和相的纳米晶体颗粒的条件下进行。过饱和相在下面更详细地描述。
在某些实施方案中，机械加工(例如球磨)可以进行大于或等于2小时的时间(例如，大于或等于4小时、大于或等于6小时、大于或等于8小时、大于或等于10小时、大于或等于12小时、大于或等于15小时、大于或等于20小时、大于或等于25小时、大于或等于30小时、或者大于或等于35小时)。在一些实施方案中，机械加工(例如球磨)可以进行1小时至35小时的时间(例如，2小时至30小时、4小时至25小时、6小时至20小时、8小时至15小时、或10小时至12小时)。在一些情况下，如果机械加工时间太长，则Ti和/或第二金属可能被用于进行机械加工的材料(例如，研磨小瓶材料)污染。在一些情况下，溶解在Ti中的第二金属的量可能随着机械加工(例如，研磨)时间的增加而增加。在一些实施方案中，在机械加工步骤(例如，球磨步骤)后，可以存在富含第二金属材料的相。
根据某些实施方案，Ti和第二金属以非平衡相存在于颗粒中。根据某些实施方案，颗粒可以包含其中第二金属溶解在Ti中的非平衡相。在一些实施方案中，非平衡相包括固溶体。根据一些实施方案，非平衡相可以是包含溶解在Ti中的第二金属的过饱和相。如本文使用的“过饱和相”是指其中材料以超过溶解度极限的量溶解在另一种材料中的相。在一些实施方案中，过饱和相可以包含这样的活化剂元素和/或稳定剂元素：其以超过原本可以溶解在Ti的平衡相中的活化剂元素和/或稳定剂元素的量的量强制溶解在Ti中。例如，在一组实施方案中，过饱和相是包含这样的活化剂元素的相：所述活化剂元素以超过原本可以溶解在平衡Ti相中的活化剂元素的量的量强制溶解在Ti中。
在一些实施方案中，过饱和相可以是机械加工(例如球磨)过程后存在的唯一相。在某些实施方案中，在机械加工(例如球磨)过程后可以存在富含第二金属的第二相。例如，在一些情况下，在机械加工(例如球磨)后可以存在富含活化剂元素的第二相。
根据某些实施方案，非平衡相可以在纳米晶体颗粒的烧结(该烧结在下面更详细地描述)期间经历分解。纳米晶体颗粒的烧结可以导致在纳米晶体颗粒的表面和晶界中的至少一者处形成富含第二金属的相。在一些这样的实施方案中，Ti可溶于富含第二金属的相中。富含第二金属的相的形成可能是烧结期间非平衡相分解的结果。根据某些实施方案，富含第二金属的相可以充当Ti的快速扩散路径，增强烧结动力学并且加速纳米晶体颗粒的烧结速率。根据一些实施方案，在纳米晶体颗粒的烧结期间非平衡相的分解加速了纳米晶体颗粒的烧结速率。
某些(但不一定是全部)实施方案包括在烧结之前的至少一部分时间期间对多个纳米晶体颗粒进行冷压。根据某些实施方案，已经发现可以对包含Ti和第二金属(例如，Ti和Mg)的金属合金进行压缩，使得在不需要同时进行加热的情况下实现高的相对密度。在一些实施方案中，冷压包括以大于或等于300MPa、大于或等于400MPa、大于或等于500MPa、大于或等于750MPa、大于或等于1000MPa、大于或等于1500MPa、大于或等于2000MPa或更大的力对多个纳米晶体颗粒进行压缩。在一些实施方案中，冷压缩包括以高至2500MPa或更大的力对多个纳米晶体颗粒进行压缩。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于300MPa且小于或等于2500MPa)。其他范围也是可能的。
根据某些实施方案，冷压缩在相对低的温度下进行。例如，在一些实施方案中，冷压缩在颗粒处于如下温度下的同时进行：小于或等于150℃、小于或等于100℃、小于或等于75℃、小于或等于50℃、小于或等于40℃、小于或等于35℃、小于或等于30℃、小于或等于25℃、或者小于或等于20℃。在一些实施方案中，冷压缩在周围环境的温度下进行。
如上所述，某些实施方案包括烧结多个纳米晶体颗粒以形成纳米晶体金属合金。本领域普通技术人员熟悉烧结过程，其包括向待烧结的材料(例如，颗粒)施加热，使得材料变成单个固体物质。
图1A至1C是示出根据某些实施方案的烧结过程的示例性示意图。在图1A中，多个颗粒100以球形的形式示出(但是如其他地方所述，可以使用其他形状)。如图1B所示，颗粒100可以被布置成使得它们彼此接触。如图1C所示，当颗粒被加热时，它们聚集以形成单个固体材料110。在烧结过程期间，根据某些实施方案，颗粒100之间的间隙105可以大大减少或消除(图1B中所示)，使得形成具有高相对密度的固体(如图1C中所示)。
根据某些实施方案，烧结可以在金属颗粒处于相对低的温度下进行和/或进行相对短的时间段，同时保持形成具有高相对密度、小晶粒尺寸和/或等轴晶粒的金属合金的能力。
根据某些实施方案，烧结多个纳米晶体颗粒包括将纳米晶体颗粒加热至如下烧结温度：小于或等于1200℃、小于或等于1100℃、小于或等于1000℃、小于或等于900℃、小于或等于850℃、小于或等于800℃、小于或等于750℃、小于或等于700℃、小于或等于650℃、小于或等于600℃、小于或等于550℃、小于或等于500℃、小于或等于450℃、小于或等于400℃、或者小于或等于400℃。根据某些实施方案，烧结多个纳米晶体颗粒包括将纳米晶体颗粒加热至如下烧结温度：大于或等于300℃、大于或等于350℃、大于或等于400℃、大于或等于500℃、大于或等于600℃、大于或等于700℃、或者大于或等于900℃。这些范围的组合也是可能的。例如，在一些实施方案中，烧结多个纳米晶体颗粒包括将纳米晶体颗粒加热至大于或等于300℃且小于或等于850℃的烧结温度。在一些实施方案中，烧结多个纳米晶体颗粒包括将纳米晶体颗粒加热至大于或等于300℃且小于或等于450℃的烧结温度。在一些实施方案中，烧结材料的温度在这些范围内持续烧结时间的至少10％、至少25％、至少50％、至少75％、至少90％或至少99％。
根据某些实施方案，烧结多个纳米晶体颗粒包括将纳米晶体颗粒保持在烧结温度范围内持续小于72小时、小于48小时、小于或等于24小时、小于或等于12小时、小于或等于6小时、小于或等于4小时、小于或等于3小时、小于或等于2小时、或者小于或等于1小时(和/或，在一些实施方案中，持续至少10分钟、至少20分钟、至少30分钟、或至少50分钟)。这些范围的组合也是可能的。例如，在一些实施方案中，烧结多个纳米晶体颗粒包括将纳米晶体颗粒加热至大于或等于300℃且小于或等于850℃的第一烧结温度持续大于或等于10分钟且小于或等于24小时的烧结时间。在一些实施方案中，烧结包括将纳米晶体颗粒加热至大于或等于300℃且小于或等于850℃的温度持续大于或等于20分钟且小于或等于3小时的时间。在一些实施方案中，烧结包括将纳米晶体颗粒加热至大于或等于300℃且小于或等于450℃的温度持续大于或等于50分钟且小于或等于2小时的时间。在某些实施方案中，烧结包括将纳米晶体颗粒加热至大于或等于300℃且小于或等于850℃的温度持续大于或等于10分钟且小于或等于2小时的时间。
根据某些实施方案，在烧结步骤期间，纳米晶体颗粒在高度升高的温度下仅持续短的时间段(或根本不持续)。在一些实施方案中，进行烧结使得纳米晶体颗粒不经历大于或等于1200℃(或者大于或等于1100℃、大于或等于1000℃、大于或等于900℃、大于或等于800℃、大于或等于700℃、大于或等于600℃、大于或等于500℃、大于或等于400℃、或者大于或等于300℃)的温度超过24小时、超过12小时、超过6小时、超过2小时、超过1小时、超过30分钟、超过10分钟、超过1分钟、超过10秒或更小。在一些实施方案中，进行烧结使得纳米晶体颗粒不超过1200℃的温度(或者，不超过1100℃的温度、不超过1000℃的温度、不超过900℃的温度、不超过800℃的温度、不超过700℃的温度、不超过600℃的温度、或者不超过500℃的温度)。
根据某些实施方案，烧结包括将纳米晶体颗粒加热至第一烧结温度，所述第一烧结温度低于在不存在第二金属的情况下使Ti烧结所需的第二温度。为了确定是否满足这样的条件，本领域普通技术人员将对在包含Ti和第二金属的样品中实现烧结所需的温度与包含Ti而不含第二金属，但其他方面与包含Ti和第二金属的样品相同的样品中实现烧结所需的温度进行比较。在一些实施方案中，第一烧结温度可以比第二烧结温度低至少25℃、至少50℃、至少100℃或至少200℃。
根据某些实施方案，存在于纳米晶体颗粒中的非平衡相(例如，以上或本文其他地方描述的任何非平衡相)在烧结期间经历分解。在一些这样的实施方案中，非平衡相的分解加速了纳米晶体颗粒的烧结速率。
在一些实施方案中，烧结还包括在烧结期间在纳米晶体颗粒的表面和晶界中的至少一者处形成第二相。在一些这样的实施方案中，Ti不溶于第二相。在一些这样的实施方案中，第二相富含第二金属。关于相中元素含量的术语“富含”是指相中元素的含量为至少50原子％(例如，至少60原子％、至少70原子％、至少80原子％、至少90原子％、至少99.％或更大)。本文中通常使用的术语“相”是指物质的状态。例如，相可以是指相图上所示的相。
根据某些实施方案，在烧结期间，Ti在自身中具有第一扩散系数而在富含第二金属的第二相中具有第二扩散系数，第一扩散系数比第二扩散系数大(例如，大至少1％、至少5％、至少10％、至少25％、至少50％、或至少100％)。
烧结可以在多种合适的环境中进行。在某些实施方案中，纳米晶体颗粒在烧结过程期间处于惰性气氛中。例如，当在纳米晶体颗粒中采用反应性金属时，使用惰性气氛可能是有用的。例如，Ti和Mg在氧气存在下彼此反应。
在一些实施方案中，烧结在其中气氛的至少90体积％、至少95体积％、至少99体积％、或基本上全部由惰性气体构成的气氛中进行。惰性气体可以是或包含例如氦、氩、氙、氖、氪，这些中的两种或更多种的组合，或其他惰性气体。
在某些实施方案中，氧清除剂(例如吸气剂)可以包含在烧结环境中。氧清除剂的使用可以降低金属在烧结过程期间被氧化的程度，根据某些实施方案这可能是有利的。在一些实施方案中，可以控制烧结环境使得氧以小于1体积％、小于0.1体积％、小于百万分之100(ppm)、小于10ppm或小于1ppm的量存在。
根据某些实施方案，烧结在基本上没有外部施加的应力下进行。例如，在一些实施方案中，对于进行烧结期间的时间的至少20％、至少50％、至少75％、至少90％或至少98％，施加至纳米晶体颗粒的最大外部压力小于或等于2MPa、小于或等于1MPa、小于或等于0.5MPa、或者小于或等于0.1MPa。施加至纳米晶体颗粒的最大外部压力是指由于在纳米晶体颗粒外部施加力而施加的最大压力，并且排除在烧结过程期间由重力引起的压力以及在纳米晶体颗粒与纳米晶体颗粒所处的表面之间产生的压力。本文所述的某些烧结过程即使在烧结过程期间不存在或基本不存在施加的外部压力的情况下也可以允许产生相对高密度的经烧结的超细晶体材料和纳米晶体材料。根据某些实施方案，烧结可以是无压烧结过程。
根据某些实施方案，在烧结过程期间可以存在至少一种活化剂元素。活化剂元素可以增强Ti的烧结动力学。根据某些实施方案，活化剂元素可以为Ti原子提供高的扩散路径。例如，在一些实施方案中，活化剂元素原子可以包围Ti原子并为Ti原子提供相对高的传输扩散路径，从而降低Ti扩散的活化能。在一些实施方案中，该技术被称为活化烧结。在一些实施方案中，相对于在不存在活化剂元素但其他条件相同的条件下使纳米晶体颗粒烧结所需的温度，活化剂元素可以降低烧结纳米晶体颗粒所需的温度。因此，根据某些实施方案，烧结可以包括第一烧结温度，并且第一烧结温度可以低于在不存在第二金属的情况下烧结Ti所需的第二烧结温度。为了确定在不存在第二金属的情况下烧结Ti所需的烧结温度，将制备不包含第二金属但在其他方面与纳米晶体颗粒材料相同的Ti材料的样品。然后，将确定烧结不包含第二金属的样品所需的最低温度。在一些实施方案中，第二金属的存在使烧结温度降低至少25℃、至少50℃、至少100℃、至少200℃或更大。
根据某些实施方案，在烧结过程期间可以存在至少一种稳定剂元素。稳定剂元素可以是能够使发生的晶粒生长的量相对于在不存在稳定剂元素但其他条件相同的条件下发生的晶粒生长的量减少的任何元素。在一些实施方案中，稳定剂元素通过降低烧结材料的晶界能和/或通过减小晶粒生长的驱动力来减少晶粒生长。根据某些实施方案，稳定剂元素可以表现出与烧结材料混合的正热。稳定剂元素可以通过晶界中的偏析来使纳米晶体Ti稳定。这种偏析可以降低晶界能，和/或可以降低合金中晶粒生长的驱动力。
在一些实施方案中，稳定剂元素也可以是活化剂元素。根据某些实施方案，使用单一元素作为稳定剂元素和活化剂元素两者具有不需要考虑活化剂与稳定剂之间的相互作用的额外益处。在一些实施方案中，可以用作活化剂元素和稳定剂元素两者的元素可以是金属元素，其可以是任何前述金属元素。
根据某些实施方案，当一种元素无法充当稳定剂和活化剂两者时，可以采用两种元素。根据一些实施方案，可以考虑两种元素之间的相互作用，以确保适当地实现活化剂和稳定剂作用。例如，在一些情况下，当活化剂和稳定剂形成金属间化合物时，可能阻止每种元素实现其指定的作用。因此，至少在一些情况下，应避免能够在预期的烧结温度下形成金属间化合物的活化剂和稳定剂组合。可以用相图分析在两种元素之间形成金属间化合物的可能性。
根据一组实施方案，可以通过球磨使钛粉末和镁粉末(例如10原子％Mg、20原子％Mg或30原子％Mg，余量为钛)机械合金化，对其进行冷压缩，随后退火(例如，在热机械分析仪中持续几个小时)。在一些实施方案中，Ti-Mg合金体系通过形成纳米双相结构而表现出纳米晶体晶粒尺寸稳定。
根据某些实施方案，将元素Ti和Mg的粉末混合并研磨以实现过饱和并将晶粒尺寸减小至纳米级。在一些实施方案中，经压缩的粉末的退火导致产生由富Ti晶粒和富Mg析出物组成的纳米双相结构。在一些实施方案中，即使在500℃(其为Mg的熔融温度的84％和Ti的熔融温度的30％)下8小时后也可以保持晶粒尺寸为约110nm的纳米晶体结构。在一些实施方案中，对于Ti-20原子％Mg和Ti-30原子％Mg，可以实现高的相对密度。认为这可能表明加速致密化是可能的。
2016年9月7日提交的题为“Stable Nano-Duplex Titanium-Magnesium Alloys”的美国临时申请第62/384,232号出于所有目的通过引用整体并入本文。
以下实施例旨在举例说明本发明的某些实施方案，但不是例示本发明的全部范围。
实施例
该实施例说明了通过低温加速烧结方法进行的处理如何能够应用于生产具有热稳定性和高相对密度的纳米晶体钛-镁(Ti-Mg)合金。
通过在不锈钢小瓶和不锈钢介质中的高能球磨使具有不同添加量的镁粉(10原子％Mg、20原子％Mg和30原子％Mg)的钛粉机械合金化。通过该过程，在约15小时的研磨时间后产生具有微晶颗粒和纳米晶体晶粒尺寸的过饱和粉末。然后将粉末冷压缩，随后在纯氩气气氛中烧结。经研磨的粉末的显微组织由尺寸为约10nm至20nm的过饱和钛晶粒组成。在烧结(在本文中也称为“退火”)至600℃后，晶粒尺寸增加至约100nm并分离成富含钛的晶粒和富含镁的晶粒。即使在延长的烧结时间后，结构仍保持稳定。
进行纳米晶体合金的加速烧结(无压力)。通过高能球磨来完成过饱和粉末的生产。认为烧结包括溶质在溶剂上的析出和颈状物形成。颈状物的作用可以包括由过量空位引起的快速溶质扩散，以及由溶剂在溶质中的溶解引起的溶剂在颈状物内的扩散，这导致致密化增强。
图2示出了多种金属与钛的偏析焓ΔH偏析(kJ/mol)和混合焓ΔH混合(kJ/mol)。镁(碱土金属)被确定为与钛以及以下元素成合金的良好候选物：钪(Sc)和钇(Y)(过渡金属)、钍(Th)(锕系元素)、镧(La)(镧系元素)、铬(Cr)、银(Ag)、铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)和锂(Li)。这是因为正混合焓导致相分离并且正偏析焓导致晶界偏析，这使纳米晶体结构稳定。如图2中所示，Mg与Ti在富溶剂相和富溶质相的纳米相分离的纳米双相区域中。Ti-Mg相图显示出大的混溶间隙(未示出)。Mg的熔点为650℃，远低于Ti的熔融温度1668℃。
图3示出了包含钛和20原子％镁(Ti-20原子％Mg)的纳米晶体粉末样品的一系列X射线衍射(XRD)光谱，所述样品通过使用5克Ti-Mg混合物加1重量％硬脂酸，以每分钟1000个循环进行高能球磨0小时、2小时、4小时、8小时、12小时、16小时和20小时来进行处理。Ti峰向较低角度移动并且Mg峰消失，这表明在研磨期间粉末的Ti中的Mg过饱和。存在镁在钛中的溶解。0小时至20小时研磨后的XRD图案表明在研磨期间Ti-20原子％Mg粉末的过饱和以及晶粒尺寸的减小(峰向较低角度偏移并且峰变宽)。图4示出对于所有混合物在16小时研磨后晶粒尺寸明显减小至低于20nm并且晶格参数c和a增加。另外，图4表明形成了过饱和相。
Ti-xMg的处理在x＝10原子％、20原子％和30原子％的情况下进行。对混合元素粉末Ti-xMg(x＝10原子％、20原子％、30原子％)进行高能球磨以生产过饱和粉末。
图4示出了由X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)测量的包含钛和10原子％Mg、20原子％Mg和30原子％Mg的纳米晶体粉末的晶粒尺寸图，所述纳米晶体粉末通过使用5克Ti-Mg混合物加1重量％硬脂酸，以每分钟1000个循环进行高能球磨0小时、2小时、4小时、8小时、12小时、16小时和20小时来制造。研磨配方：使用钢制小瓶和介质，球与粉末的比例为10:1，1重量百分比(重量％)的硬脂酸，以及研磨时间：例如，20小时。如图4中可以看到的，随着研磨时间的增加，晶粒尺寸急剧减小。
图5示出了包含钛和10原子％Mg、20原子％Mg和30原子％Mg的纳米晶体粉末的一系列TEM图像和相应的电子衍射图案，所述纳米晶体粉末通过使用5克Ti-Mg混合物加1重量％硬脂酸，以每分钟1000个循环进行高能球磨20小时来制造。如图4中所示，这些粉末的平均晶粒尺寸对于10原子％Mg为18nm，对于20原子％Mg为15nm，对于30原子％Mg为10nm，如通过图像分析测量的。图5中的所有TEM图像中的比例尺为30nm。电子衍射图中的连续环通常是纳米晶体样品的特征。
图6示出了来自如上所述的高能球磨后Ti-20原子％Mg的TEM的电子衍射图案，并且具有米勒-布拉菲指数(10-10)、(0002)、(10-11)、(10-12)和(10-20)(对应于六方紧密堆积的晶体结构)的过饱和钛的衍射环在图案上叠加用于强调。表1显示：d是原子平面之间的距离；d计算使用布拉格方程用晶格参数来计算；以及d测量在衍射图案中测量。
表1.过饱和钛的衍射环.
米勒-布拉菲指数 d<sub>计算</sub> d<sub>测量</sub>
(10-10) 0.221 0.221
(0002) 0.185 0.205
(10-11) 0.171 0.195
(10-12) 0.101 0.148
(10-20) 0.073 0.128
使用仪器的标准参数在热机械分析仪(Netzsch)中烧结压紧的样品。冷压缩样品(h＝4mm，d＝6mm)的烧结在热机械分析仪中进行，在例如500℃下等温保持8小时以确定纳米晶体结构的稳定性，并且以例如5K/分钟的恒定加热速率至例如550℃以探究烧结行为。首先，在不同载荷(1t至6t)下进行粉末的冷压缩，其中从t至MPa的转换列于表2中。
表2.从t至MPa的转换.
代表性样品尺寸的高度为约4mm且直径为约6mm。用钽(Ta)箔(图7A)或铜(Cu)管(图7B)覆盖样品。烧结在等温条件下并且以恒定的加热速率进行。等温条件为在400℃至600℃(例如500℃)下持续8小时。恒定加热速率条件是加热速率为5K/分钟至20K/分钟(例如，5K/分钟)至最高温度为550℃至700℃。
图8示出了在冷压缩期间施加的载荷(以t计)对具有20原子％Mg的纳米晶体合金Ti的相对密度(％)的影响。仅在室温下对生坯进行压制，并且经烧结的样品使用5K/分钟的升温速率至600℃进行烧结。首先使用5克Ti-Mg混合物加1重量％硬脂酸以每分钟1000个循环对粉末进行高能球磨20小时。使用样品的尺寸测量，然后使用样品的理论密度计算相对密度。如图8所示，在生坯中实现了压紧至大于80％的相对密度，并且在经烧结的样品中实现了大于95％的相对密度。
表3示出了单独的钛和镁的熔融温度(Tm)、Ti和Mg的半熔融温度(0.5·Tm)(半熔融温度通过首先转化为开尔文来计算)、以及相对于钛和镁的熔融温度的室温(RT)(通过首先转化为开尔文来计算)。表3显示，与普通烧结相比，该实施例中使用的烧结温度非常低。
表3.钛和镁的熔融温度和相关温度.
图9示出了对于不同的Ti-Mg合金组合物，烧结至550℃至600℃的样品的相对密度(％)的原位进展。合金的最终相对密度至少部分地取决于Ti-Mg粉末的组成、冷压缩期间的压紧压力和烧结温度。曲线的偏差可以归因于样品被包裹于其中的Ta箔是刚性的。
通过扫描透射电子显微镜-能量色散x射线光谱(STEM-EDS)对烧结后的Ti-Mg合金的显微组织进行分析。图10A至10C示出了在500℃下烧结8小时后的Ti-20at％Mg合金的STEM-EDS(比例尺600nm)。Ti的EDS图(图10B)显示钛主要集中在STEM图像(图10A)的浅灰色连续区域中。Mg的EDS图(图10C)显示镁主要集中在STEM图像(图10A)的黑色分离区域中。
图11示出烧结前(点线)和烧结后(实线)的XRD图案对比。Ti峰沿纯Ti的方向移回并变窄。烧结后出现小的Mg峰，这与STEM结果中描述的富含镁的相的出现和一些晶粒生长相一致。
图12、13和10A示出了在纯Ar气氛中在500℃下烧结8小时后的不同Ti-Mg合金组合物的STEM图像和Ti-20原子％Mg的Ti和Mg分布的STEM-EDS图像。图12(Ti-10原子％Mg，d＝119nm，比例尺＝300nm)、图13(Ti-30原子％Mg，d＝126nm，比例尺＝300nm)、以及图10A(Ti-20原子％Mg，d＝107nm，比例尺＝300nm)是STEM图像，图10B和10C是Ti-20原子％Mg的STEM-EDS图像。晶粒尺寸稳定在平均110nm处，并且所有三个样品的晶粒结构显示出包含富Ti晶粒和富Mg析出物的良好发展的纳米双相结构(由STEM-EDS图像中的元素分布示出)。
表4示出了Ti-10原子％Mg、Ti-20原子％Mg和Ti-30原子％Mg合金烧结后的晶粒尺寸。另外，表4显示了经冷压缩的粉末与所得经烧结的合金之间的相对密度的变化。通过TEM和XRD来确定晶粒尺寸。图9示出了不同的Ti-Mg合金在以5K/分钟的恒定加热速率至550℃的烧结期间相对密度的变化。Ti-20原子％Mg和Ti-30原子％Mg在高于350℃发生明显的致密化。冷压缩导致比预期更高的相对密度。烧结后实现了大于90％的相对密度。
表4.Ti-Mg合金的相对密度和晶粒尺寸数据.
虽然本文已经描述和举例说明了本发明的多个实施方案，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行本文所述的功能和/或获得本文所述的结果和/或一个或多个优点的多种其他手段和/或结构，并且每个这样的变化和/或修改被认为是在本发明的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文所述的所有参数、尺寸、材料和配置意在是示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明的教导的一个或更多个具体应用。本领域技术人员将认识到或者仅使用常规实验就能够确定本文所述的本发明的具体实施方案的许多等同方案。因此，应理解，前述实施方案仅作为示例呈现，并且在所附权利要求及其等同方案的范围内，本发明可以以不同于具体描述和要求保护的方式的其他方式实施。本发明涉及本文所述的各个单独的特征、系统、制品、材料和/或方法。此外，如果这样的特征、系统、制品、材料和/或方法不是相互矛盾的，则两个或更多个这样的特征、系统、制品、材料和/或方法的任意组合都包括在本发明的范围内。
除非明确地指出相反，否则如本文在说明书和权利要求书中使用的没有量词修饰的名词应理解为意指“至少一个”。
如本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”，应理解为意指如此连接的要素中的“任一个或两个”，即在一些情况下共同存在而在另一些情况下分别存在的要素。除非明确地指出相反，否则可以任选地存在除了由“和/或”子句明确指出的要素之外的其他要素，无论其与明确指出的那些要素相关或不相关。因此，作为非限制性实例，当与诸如“包括”的开放式语言结合使用时，提及“A和/或B”可以在一个实施方案中指A而没有B(任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中，指B而没有A(任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中，指A和B二者(任选地包括其他要素)；等。
如本文在本说明书和权利要求书中使用的“或”应理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当分离列表中的项目时，“或”或“和/或”应当理解为包括的，即包括多个要素或要素列表中的至少一个，但也包括其中的多于一个，并且任选地包括另外的未列举项目。只有明确指出相反的术语，例如“仅一个”或“恰好一个”，或者当在权利要求书中使用时的“由……组成”，是指包括多个要素或要素列表中的恰好一个要素。一般地，本文使用的术语“或”当前面有排他性术语例如“两者之一”、“之一”、“仅一个”或“恰好一个”时，应当仅理解为表明排他性的替代方案(即“一个或另一，但非两者”)。“基本上由……组成”当在权利要求书中使用时应当具有其在专利法领域中使用的普通含义。
如本文在说明书和权利要求书中所使用的，在提及一个或更多个要素的列表时，短语“至少一个”应理解为意指选自要素列表中的任一个或更多个要素中的至少一个要素，但不一定包括要素列表中明确列出的各个和每个要素中的至少一个，并且不排除要素列表中要素的任意组合。该定义还允许可以任选地存在除了在短语“至少一个”所提及的要素列表中明确指出的要素之外的要素，无论其与明确指出的那些要素相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等同地，“A或B中的至少一个”，或等同地，“A和/或B中的至少一个”)可以在一个实施方案中指至少一个A，任选地包括多于一个A，但不存在B(并且任选地包括除了B以外的要素)；在另一个实施方案中，指至少一个B，任选地包括多于一个B，但不存在A(并且任选地包括除了A以外的要素)；在又一个实施方案中，指至少一个A，任选地包括多于一个A，和至少一个B，任选地包括多于一个B(并且任选地包括其他要素)；等。
在权利要求书中以及在以上说明书中，所有过渡性短语例如“包括”、“包含”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”等都应理解为开放式的，即，意指包括但不限于。仅过渡性短语“由……组成”和“基本上由……组成”应当分别是封闭或半封闭式过渡性短语，如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节中所阐述的。

Claims (72)

1.一种烧结纳米晶体金属合金，包含：
Ti；和
第二金属；
其中：
Ti是所述烧结纳米晶体金属合金中按原子百分比计最丰富的金属，以及
所述烧结纳米晶体金属合金的相对密度为至少80％。
2.一种烧结纳米晶体金属合金，包含：
Ti；和
第二金属；
其中：
所述第二金属和Ti表现出混溶间隙，以及
所述烧结纳米晶体金属合金的相对密度为至少80％。
3.一种块状纳米晶体金属合金，包含：
Ti；和
第二金属；
其中：
Ti是所述块状纳米晶体金属合金中按原子百分比计最丰富的金属，以及
所述块状纳米晶体金属合金在大于或等于100℃的温度下基本上稳定。
4.一种块状纳米晶体金属合金，包含：
Ti；和
第二金属；
其中：
Ti是所述块状纳米晶体金属合金中按原子百分比计最丰富的金属，以及
所述块状纳米晶体金属合金的平均晶粒尺寸小于300nm。
5.一种金属合金，包含：
Ti；和
Mg；
其中所述金属合金的相对密度大于或等于80％。
6.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述第二金属包括碱土金属。
7.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述第二金属选自Mg、La、Y、Th、Sc、Cr、Ag、Fe、Mn、Cu和Li。
8.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述第二金属是Mg。
9.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述第二金属以小于所述纳米晶体金属合金的40原子百分比的量存在于所述纳米晶体金属合金中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述第二金属以所述纳米晶体金属合金的1原子百分比至40原子百分比的量存在于所述纳米晶体金属合金中。
11.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述第二金属以所述纳米晶体金属合金的8原子百分比至32原子百分比的量存在于所述纳米晶体金属合金中。
12.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中Ti以至少50原子百分比的量存在于所述纳米晶体合金中。
13.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金是双相金属合金。
14.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金还包含第三金属。
15.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述第二金属和Ti表现出混溶间隙。
16.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金的平均晶粒尺寸小于300nm。
17.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金的平均晶粒尺寸小于150nm。
18.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金的平均晶粒尺寸小于125nm。
19.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金的平均晶粒尺寸小于100nm。
20.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金的相对密度为至少80％。
21.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金的相对密度为至少85％。
22.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金的相对密度为至少90％。
23.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金的相对密度为至少95％。
24.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金的相对密度为至少97％。
25.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金的相对密度为至少99％。
26.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金是块状纳米晶体金属合金。
27.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金在大于或等于100℃的温度下基本上稳定。
28.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金在大于或等于300℃的温度下基本上稳定。
29.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金在大于或等于500℃的温度下基本上稳定。
30.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金在大于或等于700℃的温度下基本上稳定。
31.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金在大于或等于800℃的温度下基本上稳定。
32.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中Ti至少部分地可溶于所述第二金属中。
33.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中Ti和所述第二金属形成固溶体。
34.根据前述权利要求中任一项所述的金属合金，其中所述纳米晶体金属合金具有第一晶粒尺寸，在不存在所述第二金属的情况下包含Ti的烧结材料具有第二晶粒尺寸，所述第一晶粒尺寸小于所述第二晶粒尺寸。
35.一种形成纳米晶体金属合金的方法，包括：
烧结多个纳米晶体颗粒以形成所述纳米晶体金属合金；
其中至少一些所述纳米晶体颗粒包含Ti和第二金属，Ti是至少一些所述纳米晶体颗粒中按原子百分比计最丰富的金属。
36.一种形成纳米晶体金属合金的方法，包括：
烧结多个纳米晶体颗粒以形成所述纳米晶体金属合金；其中：
至少一些所述纳米晶体颗粒包含Ti和第二金属；以及
烧结所述多个纳米晶体颗粒包括将所述纳米晶体颗粒加热至大于或等于300℃且小于或等于850℃的第一烧结温度持续大于或等于10分钟且小于或等于24小时的烧结时间。
37.一种形成纳米晶体金属合金的方法，包括：
烧结多个纳米晶体颗粒以形成所述纳米晶体金属合金；其中：
至少一些所述纳米晶体颗粒包含Ti和第二金属；以及
烧结所述多个纳米晶体颗粒包括加热所述纳米晶体颗粒使得所述纳米晶体颗粒不经历大于或等于1200℃的温度超过24小时。
38.一种形成纳米晶体金属合金的方法，包括：
烧结多个纳米晶体颗粒以形成所述纳米晶体金属合金，其中：
至少一些所述纳米晶体颗粒包含Ti和第二金属；
Ti是至少一些所述纳米晶体颗粒中按原子百分比计最丰富的金属；以及
所述烧结包括将所述纳米晶体颗粒加热至第一烧结温度，所述第一烧结温度低于在不存在所述第二金属的情况下烧结Ti所需的第二烧结温度。
39.一种形成纳米晶体金属合金的方法，包括：
烧结多个纳米晶体颗粒以形成所述纳米晶体金属合金，其中：
至少一些所述纳米晶体颗粒包含Ti和第二金属；以及
所述第二种金属和Ti表现出混溶间隙。
40.一种形成纳米晶体金属合金的方法，包括：
烧结多个纳米晶体颗粒以形成所述纳米晶体金属合金，其中：
至少一些所述纳米晶体颗粒包含Ti和第二金属；
Ti是至少一些所述纳米晶体颗粒中按原子百分比计最丰富的金属；以及
所述纳米晶体金属合金的相对密度为至少80％。
41.一种形成金属合金的方法，包括：
烧结包含Ti和Mg的粉末以产生所述金属合金，其中所述金属合金的相对密度大于或等于80％。
42.根据权利要求35至41中任一项所述的方法，其中Ti和所述第二金属以非平衡相存在。
43.根据权利要求35至42中任一项所述的方法，其中所述非平衡相在所述烧结期间经历分解。
44.根据权利要求35至43中任一项所述的方法，其中所述非平衡相在所述烧结期间经历分解，并且所述非平衡相的分解加速所述纳米晶体颗粒的烧结速率。
45.根据权利要求35至44中任一项所述的方法，其中所述非平衡相包括包含溶解在Ti中的所述第二金属的过饱和相。
46.根据权利要求35至45中任一项所述的方法，其中所述第二金属包括碱土金属。
47.根据权利要求35至46中任一项所述的方法，其中所述第二金属选自Mg、La、Y、Th、Sc、Cr、Ag、Fe、Mn、Cu和Li。
48.根据权利要求35至47中任一项所述的方法，其中所述第二金属是Mg。
49.根据权利要求35至48中任一项所述的方法，还包括在所述烧结前的至少一部分时间期间对所述多个纳米晶体颗粒进行冷压。
50.根据权利要求35至49中任一项所述的方法，其中所述冷压包括以大于或等于300MPa的力对所述多个纳米晶体颗粒进行冷压缩。
51.根据权利要求35至50中任一项所述的方法，其中所述冷压包括以大于或等于300MPa且小于或等于2500MPa的力对所述多个纳米晶体颗粒进行冷压缩。
52.根据权利要求35至51中任一项所述的方法，其中所述烧结包括将所述纳米晶体颗粒加热至第一烧结温度，所述第一烧结温度低于在不存在所述第二金属的情况下烧结Ti所需的第二烧结温度。
53.根据权利要求35至52中任一项所述的方法，其中所述烧结包括将所述纳米晶体颗粒加热至大于或等于300℃且小于或等于850℃的温度持续大于或等于10分钟且小于或等于24小时的时间。
54.根据权利要求35至53中任一项所述的方法，其中所述烧结包括将所述纳米晶体颗粒加热至大于或等于300℃且小于或等于850℃的温度持续大于或等于20分钟且小于或等于3小时的时间。
55.根据权利要求35至54中任一项所述的方法，其中所述烧结包括将所述纳米晶体颗粒加热至大于或等于300℃且小于或等于450℃的温度持续大于或等于20分钟且小于或等于3小时的时间。
56.根据权利要求35至55中任一项所述的方法，其中所述第一烧结温度低于或等于700℃。
57.根据权利要求35至56中任一项所述的方法，其中所述非平衡相包括固溶体。
58.根据权利要求35至57中任一项所述的方法，还包括通过对包含Ti和所述第二金属的粉末进行机械加工来形成至少一些所述纳米晶体颗粒。
59.根据权利要求35至58中任一项所述的方法，还包括通过对包含Ti和所述第二金属的粉末进行球磨来形成至少一些所述纳米晶体颗粒。
60.根据权利要求35至59中任一项所述的方法，其中至少一些所述纳米晶体颗粒的晶粒尺寸小于或等于50nm。
61.根据权利要求35至60中任一项所述的方法，其中至少一些所述纳米晶体颗粒的晶粒尺寸大于或等于5nm且小于或等于25nm。
62.根据权利要求35至61中任一项所述的方法，其中至少一些所述纳米晶体颗粒的晶粒尺寸大于或等于10nm且小于或等于20nm。
63.根据权利要求35至62中任一项所述的方法，其中所述第二金属以小于或等于所述纳米晶体颗粒的40原子百分比的量存在于所述纳米晶体颗粒中。
64.根据权利要求35至63中任一项所述的方法，其中所述第二金属以大于或等于所述纳米晶体颗粒的8原子百分比且小于或等于所述纳米晶体颗粒的32原子百分比的量存在于所述纳米晶体颗粒中。
65.根据权利要求35至64中任一项所述的方法，其中所述纳米晶体金属合金还包含第三金属材料。
66.根据权利要求35至65中任一项所述的方法，其中所述纳米晶体金属合金的相对密度为至少80％、至少85％、至少90％、至少95％、至少97％或至少99％。
67.根据权利要求35至66中任一项所述的方法，其中所述烧结还包括在所述烧结期间在所述纳米晶体颗粒的表面和晶界中的至少一者处形成第二相；Ti不溶于所述第二相。
68.根据权利要求35至67中任一项所述的方法，其中所述烧结还包括在所述烧结期间在所述纳米晶体颗粒的表面和晶界中的至少一者处形成第二相；所述第二相富含所述第二金属。
69.根据权利要求35至68中任一项所述的方法，其中所述纳米晶体金属合金具有第一晶粒尺寸，在不存在所述第二金属的情况下包含Ti的烧结材料具有第二晶粒尺寸，所述第一晶粒尺寸小于所述第二晶粒尺寸。
70.根据权利要求35至69中任一项所述的方法，其中所述纳米晶体金属合金在大于或等于100℃的温度下、在大于或等于200℃的温度下、在大于或等于300℃的温度下、在大于或等于500℃的温度下、在大于或等于600℃的温度下和/或在大于或等于700℃的温度下基本上稳定。
71.根据权利要求35至70中任一项所述的方法，其中所述烧结在基本上没有外部施加的应力下进行。
72.一种通过根据权利要求35至71中任一项所述的方法生产的纳米晶体金属合金。
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