Σημαντική καινοτομία στην έρευνα για κράματα χαλκού τιτανίου με εξαιρετικά λεπτούς κόκκους υψηλής απόδοσης από το Institute of Metals

Σε σύγκριση με το συμβατικό μέγεθος κόκκων (5-10 μ m) Σε σύγκριση με τα κράματα τιτανίου, τα εξαιρετικά λεπτά κράματα τιτανίου όχι μόνο έχουν υψηλότερη αντοχή και καλή προσαρμοστικότητα, αλλά έχουν επίσης μεγαλύτερη αντοχή στη φθορά και καλύτερη βιοσυμβατότητα, καθιστώντας τα ιδιαίτερα ελκυστικά σε πολλά σημαντικά πεδία εφαρμογής όπως η αεροδιαστημική και η βιοϊατρική. Ωστόσο, η προετοιμασία και η επεξεργασία κραμάτων τιτανίου με εξαιρετικά λεπτούς κόκκους είναι εξαιρετικά δύσκολη και η θερμική σταθερότητα της δομής είναι κακή. Αυτά τα δύο σημαντικά προβλήματα συμφόρησης περιορίζουν την ανάπτυξη και την εφαρμογή κραμάτων τιτανίου με εξαιρετικά λεπτούς κόκκους.



Η ομάδα του Yang Ke από το Ινστιτούτο Μετάλλων της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών ασχολείται εδώ και καιρό με βασική και εφαρμοσμένη έρευνα σε νέα ιατρικά μεταλλικά υλικά. Πρόσφατα, τα μέλη της ομάδας Ren Ling, Wang Hai και άλλοι υιοθέτησαν την ιδέα σχεδιασμού μικροδομής του "διφασικού κελύφους τυλιγμένο με εξαιρετικά λεπτούς ισοαξονικούς κόκκους" (Εικόνα 1), βελτίωσαν τη θερμική σταθερότητα της δομής εξαιρετικά λεπτού κοκκώδους κράματος τιτανίου και από τις δύο θερμοδυναμικές και δυναμική, και υλοποίησε τη μεγάλης κλίμακας προετοιμασία των παραπάνω μικροδομών χρησιμοποιώντας τον συνδυασμό διαδικασίας συμβατικής θερμικής επεξεργασίας και θερμής επεξεργασίας, λύνοντας τα δύο σημεία συμφόρησης της δύσκολης προετοιμασίας και επεξεργασίας του εξαιρετικά λεπτού κράματος τιτανίου και της κακής δομικής σταθερότητας. έλαβε εξαιρετικά λεπτά κράματα χαλκού τιτανίου με εξαιρετική απόδοση και υψηλή θερμική σταθερότητα. Πρόσφατα, σχετικά ερευνητικά αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο διαδίκτυο στο Nature Communications.



Η ερευνητική ομάδα έχει δεσμευτεί στην ολοκληρωμένη έρευνα και εφαρμογή της δομής και της βιολογικής λειτουργίας των κραμάτων χαλκού τιτανίου τα τελευταία χρόνια. Με βάση προηγούμενες ερευνητικές εργασίες, η ομάδα πρότεινε μια στρατηγική προετοιμασίας για εξαιρετικά λεπτόκοκκο κράμα τιτανίου χαλκού με «κράμα ευτηκτοειδούς στοιχείου → σβέση → θερμή παραμόρφωση» (EQD) (Εικόνα 2), επιτυγχάνοντας την ιδέα σχεδιασμού μιας μικροδομής με διπλή εξαιρετικά λεπτοί ισοαξονικοί κόκκοι τυλιγμένοι με κέλυφος φάσης. Αυτή η στρατηγική υλοποιείται μέσω συμβατικού εξοπλισμού Hot Working α- Παρασκευή μεγάλης κλίμακας εξαιρετικά λεπτού κοκκώδους κράματος Ti6Al4V5Cu με μέγεθος κόκκου Ti στην περιοχή 90-500 nm (Εικόνα 2). Ταυτόχρονα, χρησιμοποιώντας την επίστρωση κελύφους κελύφους διπλής φάσης β/ Ti2Cu α Το μέγεθος των κόκκων βελτιώνει σημαντικά τη θερμική σταθερότητα της εξαιρετικά λεπτής ισοαξονικής δομής κόκκων, αυξάνοντας τη θερμοκρασία αστάθειας του υλικού στους 973 K (0,55 Tm) (Εικόνα 3). Η αντοχή εφελκυσμού σε θερμοκρασία δωματίου του εξαιρετικά λεπτού κράματος Ti6Al4V5Cu φτάνει το μέγιστο 1,5 GPa και η επιμήκυνση υπερβαίνει το 10%. Σε 650 ℃ και ρυθμό παραμόρφωσης 0,01 s-1, η επιμήκυνσή του σε εφελκυσμό ξεπέρασε το 1000% (Εικόνα 1), επιτυγχάνοντας υπερπλαστική παραμόρφωση. Επιπλέον, το εξαιρετικά λεπτόκοκκο κράμα Ti6Al4V-5Cu δεν υποβλήθηκε σε τραχύτητα και ανάπτυξη κόκκων υπό συνθήκες θερμικής σύζευξης εφελκυσμού υψηλής θερμοκρασίας (Εικόνα 4). Αυτή η στρατηγική EQD όχι μόνο επιτυγχάνει την προετοιμασία δομών εξαιρετικά λεπτών κόκκων υψηλής απόδοσης και υψηλής θερμικής σταθερότητας άλλων κραμάτων τιτανίου όπως TiCu και TiZrCu, αλλά επεκτείνεται και σε άλλα συστήματα κραμάτων, συμπεριλαμβανομένων υλικών χάλυβα, παρέχοντας μια νέα προσέγγιση για την παρασκευή εξαιρετικά λεπτών κόκκων μεταλλικά υλικά. Έχει μεγάλη σημασία για το σχεδιασμό και την έρευνα εξαιρετικά λεπτών μεταλλικών υλικών.



Η παραπάνω εργασία ολοκληρώθηκε από κοινού από τις ομάδες των Yang Ke και Ren Ling από το Ινστιτούτο Μετάλλων, Qiu Dong από το Βασιλικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μελβούρνης στην Αυστραλία και Chen Xingqiu από το Εθνικό Ερευνητικό Κέντρο για την Επιστήμη των Υλικών Shenyang στο Ινστιτούτο Μετάλλων . Ο Wang Hai, Βοηθός Ερευνητής του Ινστιτούτου Μετάλλων, είναι ο κύριος συγγραφέας και ο Qiu Dong, Ερευνητής του Προγράμματος Ling του Ινστιτούτου Μετάλλων και Καθηγητής του Βασιλικού Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Μελβούρνης, Αυστραλία, είναι ο αντίστοιχος συγγραφέας.



Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Πρόγραμμα Ερευνών και Ανάπτυξης, το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας (NSFC) Βασικά και Γενικά Έργα, την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών Βασικό Πρόγραμμα Διεθνούς Συνεργασίας και το Επαρχιακό Πρόγραμμα «Revitalizing Liaoning Talents» της Liaoning.



Σχεδιασμός δομής και ιδιότητες νανοκρυσταλλικού κράματος Ti6Al4V5Cu με δομή κελύφους κυψελών διπλής φάσης, (α) Σχηματικό διάγραμμα σχεδιασμού δομής. (β) Το διάγραμμα μεγέθους κόκκων θερμοκρασίας αστάθειας δείχνει ότι το υλικό έχει καλή δομική θερμική σταθερότητα. (γ) Το διάγραμμα επιμήκυνσης αντοχής σε θερμοκρασία δωματίου δείχνει ότι σε σύγκριση με άλλα κράματα τιτανίου, το υλικό έχει καλή αντοχή στην πλαστικότητα. (δ) Η επιμήκυνση του υλικού υπερβαίνει το 1000% στην καμπύλη εφελκυσμού Τάσης-παραμόρφωσης στους 650 ℃/0,01 s-1.



Χαρακτηρισμός δομής και ανάλυση μηχανισμού σχηματισμού νανοκρυσταλλικού κράματος Ti6Al4V5Cu με δομή κελύφους κυψελών διπλής φάσης, (α) παρατήρηση του τρόπου απεικόνισης HAADF. (β) Παρατήρηση σάρωσης επιφάνειας ενεργειακού φάσματος. (γ) Σχηματικό διάγραμμα του μηχανισμού σχηματισμού της δομής κελύφους κηρήθρας διπλής φάσης. (δ) μοτίβο περίθλασης XRD. (ε) β· Cos（ θ)- Sin（ θ) Σχήμα, η προσθήκη Cu αυξάνει τη μικροστρέβλωση στο σβησμένο κράμα. (στ) Η προσθήκη Cu εξευγενίστηκε τα επίπεδα noodles Martensite. (ζ) Η προσθήκη Cu είναι ευεργετική ώστε το κράμα να υποστεί κυλινδρική ολίσθηση και να σχηματίσει ισοαξονικές κρυσταλλικές δομές κατά τη διάρκεια της θερμής παραμόρφωσης.



Ανάλυση θερμικής σταθερότητας της μικροδομής του κράματος Ti6Al4V5Cu με νανοκρυστάλλους δομής κελύφους διπλής φάσης, (α) μικροδομή EBSD μετά από διατήρηση σε διαφορετικές θερμοκρασίες για 1 ώρα. (β) Η παρατήρηση TEM υψηλής ανάλυσης δείχνει ότι α, β, υπάρχει μια συγκεκριμένη σχέση προσανατολισμού κρυσταλλογραφίας μεταξύ των φάσεων Ti2Cu. (γ) Ένα μοντέλο για τον υπολογισμό της ενέργειας των ορίων φάσης των υλικών με βάση τις πρώτες αρχές. (δ) Διάγραμμα πόλων EBSD, που δείχνει α、β、 Η φάση Ti2Cu μπορεί να διατηρήσει τον αρχικό της προσανατολισμό αφού διατηρηθεί στους 700 ℃ για 1 ώρα. (ε) Ανάλυση 3DAP της αρχικής μικροδομής του κράματος Ti6Al4V5Cu. (στ) Ανάλυση 3DAP του κράματος Ti6Al4V5Cu μετά από διατήρηση στους 650 ℃ για 1 ώρα.



Επί τόπου SEM παρατήρηση της εξέλιξης κατά τη διάρκεια του τεντώματος στους 650 ℃, (α) αρχική κατάσταση δομή SEM. (β) Η τοπική μεγέθυνση δείχνει ότι το υλικό έχει δομή κελύφους κηρήθρας. (γ) ε= οργάνωση SEM στο 0,4; (δ) Η μερική μεγέθυνση δείχνει ότι η εγκοπή FIB γύρω από το όριο φάσης έχει αποκλίνει. (ε) Υπολογίστε την κατανομή της μικροστέλεσης εντός του υλικού με βάση τη μετατόπιση των κόμβων εγκοπής FIB. (ε) Η διεπιφανειακή ολίσθηση παίζει σημαντικό ρόλο στην υπερπλαστική παραμόρφωση των υλικών.


Πηγή: ιστοσελίδα China Daily