科研进展 | 设计壳-层-芯层微结构实现钛合金材料的强韧化

2023-09-01
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钛合金及钛基复合材料是应用广泛的结构材料之一,其具有高比强度、高韧性、耐磨性等诸多优势。设计新结构以实现强韧化是结构钛合金材料的重要主题,也是对轻量化趋势和“碳中和”发展的积极响应。除常规钛合金外(如CP-Ti,Ti-6Al-4V等),通过铜模铸造法制备的多组元非晶态钛合金具有显著提高的力学性能,如TiCuNiSnTa等,受研究者青睐。然而,铜模铸造法对合金成分有严苛要求,限制了多组元钛合金的广泛发展。后来,研究者们基于多组元非晶合金的晶化方法,成功制备出等轴超细fcc第二相和bcc β-Ti基体,或微米晶fcc第二相和超细共晶基体的双尺度钛合金,但其强韧性仍然受限。

为了进一步提高结构材料钛合金的强度,研究者们做了大量努力。其中,在钛合金中设计新结构或引入硬质增强相的策略是有效且应用最广泛的方法之一,包括通过引入TiC、TiB增强相构建核-壳结构或后氧化引入氧化层壳结构。但是,引入增强相可能牺牲其塑性,并且现有策略需要引入额外增强颗粒或后处理工艺以构建理想的微观结构。因此,如何在钛合金中原位构建全新的微观结构,以获得兼具高强度和塑性的钛合金是开发该领域的重要挑战,对拓宽其在结构领域的应用也至关重要。

近日,松山湖材料实验室非晶材料团队的汪卫华研究员、柯海波研究员联合密苏里科技大学温海明副教授、华南理工大学杨超教授等,通过全新工艺设计,成功开发兼具高压缩强度(3119 MPa)与大塑性(38.6%)的“壳-层-核”三层结构钛合金,克服了引入增强相导致的强塑性矛盾,为开发高强韧结构材料提供新思路。

受三层高尔夫球结构启发,研究团队设计基于单相熔化的半固态烧结法(图1),制备具有“壳-层-核”结构的新型Ti68.8Nb13.6Co6Cu5.1Al6.5钛合金。区别于外加引入增强相或后处理搭建“核-壳”结构的传统思路,本工作通过半固态烧结调控CoTi2相的形态与分布,原位实现全新的三层结构。本研究以机械合金化Ti68.8Nb13.6Co6Cu5.1Al6.5非晶/纳米晶粉末为原料。该粉末晶化析出fcc CoTi2 (Tm=1138 ℃)相和bcc β-Ti (Tm>1577 ℃)相。通过在CoTi2相与β-Ti相熔点间的特定温度(1250 ℃)开展放电等离子烧结,在钛合金中实现了壳(CoTi2)-层(β-Ti)-核(α'马氏体)独特的微观结构(图2)。半固态烧结时,CoTi2相从非晶基体析出并熔化。液态CoTi2被β-Ti晶粒长大内应力和外加压力挤压至β-Ti边界。冷却时,液态CoTi2凝固成壳,围绕在β-Ti基体边界。另一方面,快冷和外加压力促使α'马氏体从β-Ti基体沿特定取向析出,最终在β-Ti芯部区域聚集,形成马氏体核(图2)。全新结构的Ti68.8Nb13.6Co6Cu5.1Al6.5钛合金实现1614 MPa压缩屈服强度,3119 MPa压缩极限强度和38.6%的压缩应变(图3),兼具高强度和高塑性。研究发现,硬质CoTi2相壳结构分布和α'马氏体核阻碍位错运动提高强度。微米晶β-Ti基体保证合金塑性,而CoTi2相分布,α'马氏体包含的层错协同诱发bcc β-Ti相的交滑移,近一步提高新结构钛合金的变形能力(图4)。

基于单相熔化的半固态烧结策略,有望开发更多兼具高强度和大塑性的结构钛合金,并广泛应用于内燃机、液压系统等结构件中。相关研究成果以“Designing shell-layer-core architecture in Ti-based composites to achieve enhanced strength and plasticity”发表在International Journal of Plasticity上。该研究成果得到了广东省基础与应用基础研究重大项目(2019B030302010,2022B1515120082),国家自然科学基金(U19A2085),广东省科技创新工程(2021TX06C111)等多个项目的大力支持。

图1 “壳-层-核”结构钛合金设计思路

图2 Ti68.8Nb13.6Co6Cu5.1Al6.5钛合金的“壳-层-核”结构

图3 Ti68.8Nb13.6Co6Cu5.1Al6.5钛合金压缩性能

图4 Ti68.8Nb13.6Co6Cu5.1Al6.5钛合金强韧化机制

撰稿:非晶材料团队