课题基金 / 基金详情

低铝改性的富氧双相粉末冶金钛合金组织和塑性调控

批准号:
51804271
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
娄嘉
依托单位:
学科分类:
粉末冶金与粉体工程
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
王鑫铭、刘永雄、陈汉阳、乔翯、甘梦琦

项目摘要

结项摘要

项目成果

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中文摘要
双相粉末冶金钛合金以其优异的综合性能受到了广泛的关注。但由于难以避免的增氧,烧结钛合金在超过一定的氧含量阈值后塑性显著下降,如TC4合金阈值仅为0.32 wt.%,这也成为制约其应用的主要障碍。最近的研究显示,降低合金中的铝含量能降低有害组织的析出倾向,提升该阈值。本项目鉴于针对微观组织和力学性能的研究尚不透彻等问题,拟以制备高塑性的低铝富氧双相粉末钛合金为出发点,深入研究合金微观组织特征和相变规律,建立合金成分、微观组织与力学性能之间的联系,实现合金的微观组织和力学性能调控。结合热力学计算和热处理揭示新型钛合金的相变规律和温度点;分析不同类型组织和第二相的形成条件,确定各种组织特征的调控方法;研究组织特征对位错移动、变形和断裂机制的影响,形成组织特征和热处理设计的理论依据。本项目的研究对解决粉末钛合金的低塑性难题具有较强的实际意义,且对丰富其烧结和热处理理论有着较重要的学术价值。
英文摘要
Bi-phase powder metallurgy (P/M) titanium alloys have attracted great attentions due to their excellent combination properties. However, associated with inevitable oxygen pick-up, the sintered alloys suffer from significant decrease in ductility when the oxygen content above a threshold, for TC4 alloy this threshold is only 0.32 wt.%. This problem has become the major limitation for the utility of bi-phase titanium alloys. Recent studies have indicated that a low aluminum content is able to prohibit the formation tendency of harmful structure and improve the threshold of oxygen content. Based on the drawbacks such as that researches on the new alloys’ microstructure and mechanical properties are not systematical, this project aims at preparing new types of bi-phase P/M titanium alloys with high ductility using high oxygen and low aluminum content, systematically investigates the alloys’ microstructural characteristics and phase change rule, builds the relationship among the composition, microstructure and mechanical properties, and achieves the modification of microstructure and mechanical properties. The phase change process and phase change temperatures of the new alloys are determined by the thermodynamics calculation and heat treatment experiments. The forming condition of different types of microstructures and secondary phases are analyzed, the controlling method of microstructure characteristics is proposed. The influence of the microstructural characteristics on the dislocation movement, deformation and fracture mechanisms are studied, theoretical basis for the design of microstructural characteristics and heat treatment are suggested. The investigation of present project can not only solve the low-ductility industrial problem of P/M titanium alloys, but also fulfill the theory of alloys’ sintering and heat treatment processes.
双相钛合金因优良的性能,在医疗、航天航空以及生物材料等领域得到了广泛使用。但钛与氧、碳等杂质元素有着极强的亲和力,其中氧在粉末冶金过程中极易引入。富氧的原材料、封闭性较差的加工过程和易氧化的服役环境都会使合金的氧含量大幅度提升。在Ti-6Al-4V合金存在一个0.32 wt.%的氧含量阈值,超过该值会使合金塑性呈断崖式下降,成为双相粉末冶金钛合金应用的主要障碍。针对此问题,本项目通过在降低Ti-6Al-4V合金中的铝含量,制备Ti-4V-xAl-yO合金,对比不同氧、铝含量下合金力学性能,构建了合金微观组织中α/β相体积分数、片层α相厚度等特征与力学性能之间的关系,并通过设计热处理,建立了温度、保温时间与冷却速度对微观组织及性能的联系。研究表明,当O含量为0.18 wt.%时,随着Al含量的降低,抗拉强度降低但塑性呈现升高趋势,由Ti-6Al-4V-0.18O的857 MPa与11.8 %转变为Ti-4V-0.18O的595 MPa与13.9 %,合金皆为韧性断裂。当O含量升高至0.35 wt.%时,Ti-6Al-4V-0.35O合金微观组织中会出现针状α′以及微小的第二相等组织,导致强度提高但塑性变差。Ti-6Al-4V-0.35O合金获得最高抗拉强度898 MPa,但延伸率仅为3.9 %,断口表现为脆性断裂。且降低Al含量能够提高β相体积分数,合金的强度减小但塑性提高,Ti-4V-0.35O合金中未发现高强度低塑性的针状α′相,拉伸断口为典型韧性断裂,抗拉强度为697 MPa,延伸率可达12.5 %。当氧含量超过0.5wt.%时,合金塑性显著降低,几乎全部为脆性断裂。对烧结后合金进行微观组织调控发现,当经过1000×0.5h+890×3h(油冷)热处理后,Ti-4V-0.35O-xAl钛合金出现明显网篮组织特征,因粗大的β晶界破碎导致合金的抗拉强度由697 MPa降低至 652 MPa,而通常情况粉末冶金烧结一般都得到塑性较差的魏氏组织。对Ti-4V-0.35O钛合金进行400 ℃保温以探究α/β相界对合金力学性能的影响发现,随保温时间增加,合金的强度由705 MPa升高至895 MPa,这是由于合金中尺寸较小的次生α相数量增多,同含量的次生α相代替尺寸较大的初生片层α相会导致α/β相界数量增加,钛合金在变形时位错需要穿过界面的应力增大,起到了强化合金的作用。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI: 10.1016/j.msea.2020.140586
发表时间: 2020-11
期刊: Materials Science and Engineering A-Structural Materials Properties Microstructure and Processing
影响因子: 6.4
作者: [He Rengui, Yang Qiumin, Li Bin, Lou Jia, Yang Hailin, Ruan Jianming]
通讯作者: Ruan Jianming
DOI: 10.3390/met10020211
发表时间: 2020-02-01
期刊: METALS
影响因子: 2.9
作者: [Lou, Jia, Liu, Muyao, An, Chuanfeng]
通讯作者: An, Chuanfeng
Effects of Trace Carbon Contents on Lattice Distortion and Nano-Copper Phase Precipitation in Metal Injection-Molded 17-4PH Stainless Steel
微量碳含量对金属注射成型17-4PH不锈钢晶格畸变和纳米铜相析出的影响
DOI: 10.1007/s11837-018-3302-5
发表时间: 2019-03
期刊: JOM
影响因子: 2.6
作者: [Lou Jia, He Hao, Li Yimin, Zhang Hao, Fang Zhijie, Wei Xiansheng]
通讯作者: Wei Xiansheng
Fe-50Ni alloy with ordered L1(0) structure prepared by cubic pressing
立方压制制备有序L1(0)结构的Fe-50Ni合金
DOI: 10.1016/j.matlet.2020.128563
发表时间: 2020
期刊: Materials Letters
影响因子: 3
作者: [Wang Xinming, Wen Tao, Sun Lin, Lou Jia, He Hao, Chen Yongzhi, Ouyang Xiaoping]
通讯作者: Ouyang Xiaoping
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    Cu对Fe-50%Ni合金有序(L10)相形成机理的影响及合金组织与磁性能调控
    • 批准号:
      2018JJ3507
    • 项目类别:
      省市级项目
    • 资助金额:
      0.0万元
    • 批准年份:
      2018
    • 负责人:
      娄嘉
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金