基于动力学扩散偶的多组元高强钛合金β→α相变的高通量研究

The application of the new-type high-strength titanium alloys determine the developing of the aircraft and aerospace industry. However, the time is too long from discovery of a new-type high-strength titanium alloy in the laboratory to the commercial market place nowadays. Aiming to accelerate materials research, the Ti-Al-Mo-Nb-Cr high-strength titanium alloys system is selected in this project for rapidly studying the β→α phase transformation process by combination of the kinetic diffusion couple experiment platform with the CALPHAD method. At first, the new kinetic diffusion couple experiment platform for high-strength titanium alloys will be developed by combining the diffusion couple technique and the β→α phase transformation process. Then, the diffusion behavior of the alloying elements and the precipitation mechanism of the α phase under the gradient composition as well as the coupling influence of elements on the solution-strengthening of α phase will be analyzed based on the high-spatial-resolution microanalysis methods for acquiring the quantitative composition-β→α phase transformation /microstructure/mechanism-property of the high-strength titanium alloys. In addition, the CALPHAD method is combined for developing the diffusion kinetics database of the Ti-Al-Mo-Nb-Cr system. And then, the growth condition of the α phase will be obtained by analyzing the effect of coupling of the alloying elements on the β→α phase transformation kinetics. In this project, several frontier scientific issues will be solved, which provides the guidance for optimization the heat treatment process as well as designing the new-type high-strength titanium alloys.

面对航空航天领域高强度钛合金迫切应用的需求，针对高强度钛合金研制周期缓慢的现状，本项目拟以Ti-Al-Mo-Nb-Cr高强钛合金体系为研究对象，开发多组元高强钛合金动力学扩散偶高通量实验平台，并结合CALPHAD计算方法对钛合金β→α相变过程进行快速研究。主要包括，结合扩散偶技术以及β→α相变热处理工艺开发高强钛合金动力学扩散偶实验平台；结合高分辨实验技术研究钛合金中合金元素的扩散行为、梯度成分下α相的析出机制以及多元素耦合作用下α相的固溶强化机制，快速建立钛合金成分-β→α相变/微观组织/机理-性能关系；结合CALPHAD方法，建立多组元高强钛合金扩散动力学数据库，定量的分析多元素耦合作用下的β→α相变动力学规律，明晰α相的生长控制条件。本项目相关研究内容涉及众多科学问题，研究成果可以为高强度钛合金的合金设计及热处理工艺优化提供理论基础。

面对航空航天领域高强度钛合金迫切应用的需求，针对高强度钛合金研制周期缓慢的现状，本项目以Ti-Al-Mo-Nb-Cr高强钛合金体系为研究对象，开发多组元高强钛合金动力学扩散偶高通量实验平台，并结合CALPHAD计算方法对钛合金β→α相变过程进行快速研究。.主要包括，利用传统扩散偶技术，测定了Ti-Al-Mo-Nb-Cr系钛合金中的相互扩散系数，系统地研究了Al、Mo、Nb、Cr元素在β-Ti中的扩散行为并分析了元素的扩散机制。研究结果表明：Al、Mo、Nb、Cr元素在钛合金中的扩散为正常的空位扩散机制；对Ti-Al-Mo三元系扩散的研究发现，Al元素在Ti-Al-Mo三元系中的扩散要快于Mo元素，Al、Mo元素的扩散主要受到其本身浓度梯度的影响。.基于CALPHAD方法，采用DICTRA软件建立了Ti-Al-Mo-Nb-Cr系钛合金的扩散动力学数据库。采用DICTRA软件，计算了Ti-Al-Mo-Nb-Cr系多组元合金中初生α相的溶解动力学过程，并研究了合金元素的扩散及其交互作用对初生α相溶解动力学的影响。研究结果表明：初生α相的溶解速率主要取决于合金元素在β相中相互扩散系数的大小，并且其溶解速率随温度的升高而加快。.发展了适用于钛合金相变研究的高通量实验方法，研究了Ti-Al-Mo合金中的成分-组织-性能关系，并获得了α相的析出机制，合金元素在α相中的固溶强化作用以及α相的析出强化效应。主要研究结果表明：在Ti-5.04Al/Ti-1.52Mo动力学扩散偶扩散区域内，由于成分梯度产生的额外的自由能，导致了β→α相变过程可以同时析出12个α变体，这是首次在实验中观测到在单一β晶粒内所有12个α变体的析出；由Ti-Al-Mo动力学扩散偶中成分梯度下α相硬度的分析得出Al、Mo元素在α相中的固溶强化作用如下：Mo元素在α相中的固溶强化效果要高于Al元素，而Al元素在α相中的固溶强化作用呈现出抛物线变化趋势，当元素含量低于1%时，其强化效果随元素含量的增加快速增加，而当元素含量高于1%时，其强化效果随元素含量的增加变得缓慢；对Ti-Al-Mo合金的硬度的研究则发现合金的硬度受Al、Mo元素的固溶强化作用以及α相的析出强化作用的共同影响。