基于伪调幅分解和高通量实验的高强钛合金设计

One of the major reasons for the titanium alloys can obtain high strength is the development of fine-scale α precipitates in β matrix. Recently, a new pseudo-spinodal nucleation mechanism in titanium alloys has been proposed. The phase field simulation results show that the precipitation efficiency of α phase in pseudo-spinodal mechanismis is 100 times that of the nucleation-growth mechanism, and the presence of the primary αp phase can enhance the plasticity of the alloy. This project intends to use the CALPHAD method to calculate the range of alloy composition in the presence of primary αp phases while ensuring the secondary αs phase nucleation in pseudo-spinodal mechanismis. The diffusion multiple of Ti–Al–V–Cr–Mo–Zr alloys were designed to investigate the influence of various Al, Mo, Cr, Zr and V contents on the morphology of the secondary αs phase and mechanical properties of titanium alloy. The CALPHAD method was used to calculate the primary and secondary α phase fraction and α/β transition temperature of the alloy. Strain gradient and temperature gradient experiments were carried out to investigate the influence of various strains and temperatures on the morphology of primary and secondary α phases and the mechanical properties of titanium alloy with the help of calculation results. A database of material properties for "Composition–Strain–Temperature–Microstructure–Properties" was created which could help to design a new titanium alloy with high strength plasticity matching.

钛合金β基体中析出的弥散α相是其获得高强度的主要原因。近来，钛合金中一种新的伪调幅分解机制被提出，相场模拟结果显示，该机制作用下α相的析出效率是形核–长大机制的100倍，而合金组织中初生αp相的引入可以提升合金塑性。本项目拟利用伪调幅分解理论，采用CALPHAD方法，计算在引入初生αp相的同时，保证次生αs相伪调幅分解机制下析出的母合金成分范围，以此设计Ti–Al–V–Cr–Mo–Zr体系扩散多元节成分梯度试样，研究Al、Mo、V、Cr、Zr等元素含量变化对合金次生αs相析出规律，以及合金力学性能的影响；通过应变和温度梯度实验，利用CALPHAD辅助计算合金初生和次生α相分数、α/β转变温度等，研究在不同应变、温度下，合金初生及次生α相形貌及力学性能变化规律；建立相关体系“成分–应变–温度–组织–性能”的材料性能数据库；设计出具有高强塑性匹配的新型钛合金。

钛合金因具有高的强度和良好的延展性成为航空领域关键结构材料。合金的成分，热加工和热处理过程决定了显微结构特征，进而影响机械性能。传统的合金成分和工艺设计方法存在研发周期长，研发费用高等缺点，限制了新型合金的发展和使用。本研究结合高通量实验和CALPHAD计算来研究合金成分，热加工、热处理等参数变化对合金显微组织和机械性能的影响，以加速合金设计、缩短研发周期。.成分设计方面：基于钛合金中近期提出的伪调幅分解相变机制，结合扩散多元结实验和CALPHAD相图计算，研究了Mo、V元素含量变化对TM（Ti−4.5Al−2Cr−2.5Nb−2Zr−1Sn）合金显微组织和力学性能的影响规律，阐明了TM−xMo−yV系列合金“成分−显微组织−机械性能”的内在联系。设计的新型高强钛合金TM−6Mo−3V获得了1411MPa的高强度和6.5%的伸长率。合金的高强度取决于层状α相的厚度、体积分数和Mo、V等元素的固溶强化效应；较低的延展性可归因于超细α片状结构中大量α/β界面阻碍了位错滑移和孪晶扩展。.热加工和热处理：采用双圆锥台的实验方法制备应变梯度试样，研究热压缩过程中温度、应变和应变率变化对TC18（Ti−5Al−5Mo−5V−1Cr−1Fe）合金显微组织和力学性能的影响规律，确定TC18钛合金最优热加工参数。采用温度梯度试样，研究不同固溶、时效温度变化对Ti1350合金显微组织和力学性能对的影响规律，以确定最优热处理工艺。.在前期工作基础上，基于钛合金中片状α沉淀相随成分变化的多种析出机制，我们提出利用快速溶解的球形αp相和滞后的溶质元素扩散效应，获取非均匀溶质β基体，之后时效处理激活片状α相多种析出机制以制备粗大和超细α相结合的异质结构。在相场模拟的指导下，设计了三步热处理实验方案，在商业的Ti−5Al−5Mo−5V−3Cr−1Zr合金中制备了异质结构，与均匀片层合金相比，实现了合金强度（增长6%）和延展性（增长130%）的协同提升。异质结构卓越的机械性能可归因于其独特的显微结构特征，避免了应变局域化从而激活了粗大和超细α相区域的位错和孪晶变形，进而引起的高应变硬化效应。三步热处理工艺具有简易的操作和低廉的工艺成本，具有可期待的工业应用前景。