高能球磨－放电等离子烧结法制备多尺度纳米结构钛合金的烧结行为及强韧化机理的研究

本项目采用高能球磨－放电等离子烧结方法，结合球磨粉末与雾化粉末的成分配比，制备具有微米晶、超细晶和纳米晶的多尺度纳米结构Ti6Al4V合金块体材料，并研究其烧结行为及强韧化机理，以期提供解决单一尺度的纳米晶钛及钛合金塑性偏低问题的方法。主要研究内容包括：分析高能球磨中钛合金粉末的形貌及显微组织变化规律；研究微米晶、纳米晶粉末的配比对烧结和致密化过程的影响，探索不同晶粒尺寸的粉末混合烧结的烧结动力学；研究放电等离子烧结过程中烧结材料的相变、再结晶与晶粒长大行为，总结出多尺度纳米晶钛合金的显微组织控制方法；研究烧结材料中微米晶、超细晶和纳米晶的比例与其力学性能的内在联系，总结出兼顾高强度和高塑性的多尺度纳米结构钛合金的组织设计原则；研究烧结材料的应变强化过程、断裂方式和塑性变形后的显微组织特征，分析多尺度纳米结构钛合金的强化机理和塑性变形机理，从而奠定高强韧纳米晶钛合金的技术及理论基础。

本项目采用高能球磨－放电等离子烧结法，通过球磨粉末与未球磨粉末的混合烧结，制备出近全致密、具有双尺度超细晶结构的Ti-6Al-4V合金，并对其制备技术、烧结行为、致密化规律、组织演变规律、强韧化机制、断裂机理和摩擦磨损性能展开了系统深入的研究，取得了以下主要研究成果：. 随着烧结温度升高，烧结材料的密度逐渐增加，显微组织中基体的平均晶粒尺寸和局部再结晶粗晶的体积分数逐渐增大，其压缩和拉伸强度先增加而后有所下降，塑性应变则呈持续上升的趋势。随着球磨时间增大，钛合金粉末的晶粒逐渐细化，烧结温度显著降低，烧结试样的基体组织由粗晶→双尺度晶粒→超细晶逐步转化，烧结试样的压缩和拉伸屈服强度逐渐增加，而塑性应变不断降低，其断口形貌由韧性断裂逐渐向准脆性断裂转变。随着粗晶粉末含量的增加，烧结材料的密度逐渐减小。当粗晶粉含量由0%增至20%时，表现出明显的增韧效果，烧结材料的压缩塑性应变值由19%提高到24%，同时压缩屈服强度并未出现明显降低。双尺度超细晶钛合金的压缩断口呈平滑的剪切带、沿晶断裂和剪切韧窝的混合断裂模式。随着粗晶粉末含量的增加，断口中剪切韧窝的比例逐渐增多。. 当球磨时间为10h、粗晶粉加入量为20%、烧结温度为850℃、保温时间为4min、烧结压力为50MPa时，可获得由74%超细晶等轴α+β组织、20%粗晶片状α+β组织和6%再结晶粗晶等轴α相构成的双尺度超细晶钛合金，其相对密度达到99.3%，基体平均晶粒尺寸为0.8µm，压缩屈服强度、断裂强度和塑性应变分别达到1368MPa、2306MPa和24%，具有最佳的综合力学性能。. 粗细晶粉末混合烧结时，纳米晶粉末向粗晶粉末的间隙发生塑性流动，从而使粉末快速烧结致密。在超细晶钛合金烧结材料的强化机制中，细晶强化居主要地位，而间隙元素引起的固溶强化和氧化物弥散强化效应则随着球磨时间的增大而显著增加，可采用修正的Hall-Petch公式σcy = 393 + 0.46d(-1/2) + 519Oeq(1/2)来描述基体平均晶粒尺寸d和氧当量Oeq对压缩屈服强度的综合影响。而双尺度超细晶钛合金韧性的改善主要与粗晶粉的加入提高了材料的加工硬化能力、在断裂时使裂纹尖端钝化和扩展路径复杂化以及超细晶组织中包含大角度晶界等因素有关。