J Mater Eng Perform：納米超細晶梯度結構鈦合金制備

一、?【導讀】

鈦合金作為一種具有戰略意義的新型結構金屬材料，廣泛應用于航空、武器、船舶等工業領域。美國軍用飛機使用的鈦合金已達到總重量的38%。航空材料的要求更為嚴格，包括高強度、輕量化和高韌性，以滿足設計和應用的要求。Ti-5553、Ti-55531等近β鈦合金具有較高的強度和韌性，是先進鈦合金生產的重要趨勢之一。然而，鈦合金通常很難通過鑄造獲得優異的強度和韌性。因此，通過對鑄造工藝參數的研究，優化鑄態產品的結構，提高鑄態產品的性能是十分重要的。本研究利用Pro-CAST軟件對吸鑄工藝參數進行模擬，在Ti-55531合金中加入0.1wt%的La，制備出具有超細晶粒的梯度組織，獲得高強度、高延展性的優異性能。

二、【成果掠影】

近期，臺州學院及浙江省工量刃具檢測及深加工重點實驗室的付亞波教授等人，通過模擬及在Ti-55531合金中加入0.1wt%的La，獲得了具有超細晶粒的梯度結構Ti-55531。結果發現：（1）當熔化溫度超過1695℃時，從邊緣到中心，梯度冷卻速率從88.83℃/ s逐漸減小到52.79℃/ s，再到37.51℃/ s，導致邊緣區域快速凝固形成超細晶粒。在邊緣處形成間距為20.5 nm的納米級超細α相和晶粒尺寸為20 nm的β相。中心緩慢凝固生長為粗晶結構，平均尺寸為4 μm。

(2)隨著半徑的增大，硬度呈梯度增大的趨勢，從中心處的3.67±0.12 GPa，逐漸增加到半徑為R1500處的3.79±0.07 GPa，最終由于納米超細晶粒的存在，硬度在半徑為R3000處達到最大值4.12±0.33 GPa。

(3)梯度結構可以提高Ti-55531合金的強度-塑性。抗壓強度和應變分別為3118 MPa和69%，比非梯度合金提高了36%和30%。

研究結果發表在《Journal of Materials Engineering and Performance》上，題目為：Gradient structure of Ti-55531 with nano-ultrafine grains fabricated by simulation and suction casting。

三、【核心創新點】

1.從邊緣到中心，梯度冷卻速率從88.83℃/s逐漸減小到52.79℃/s，再到37.51℃/s，導致邊緣區域快速凝固形成超細晶粒。

2.梯度組織可以提高Ti-55531合金的強度-塑性。抗壓強度和應變分別為3118 MPa和69%，分別比非梯度合金高36%和30%。

3.得到新的電弧熔煉的溫度計算公式為: ?。

四、【數據概覽】

圖1?圖文摘要

圖2 ?1695℃梯度溫度下的冷卻速率。(a)分數固體(FS) 0℃/ s為57%，為1.2564秒，(b) 88.83℃/ s為82%，為1.7476秒，(c) 52.79℃/ s為94%，為2.1160秒，(d) 37.51℃/ s為100%，為2.9756秒。

五、【成果啟示】

鑄造法制備梯度結構的高強韌鈦合金，可以很好的平衡合金的性能及成本。本工作還突出了梯度結構的力學性能，得到了電弧熔煉溫度的模擬方程，屬于學科交叉領域的典范。

論文地址：https://doi.org/10.1007/s11665-022-07278-2