J Mater Eng Perform：纳米超细晶梯度结构钛合金制备

一、 【导读】

钛合金作为一种具有战略意义的新型结构金属材料，广泛应用于航空、武器、船舶等工业领域。美国军用飞机使用的钛合金已达到总重量的38%。航空材料的要求更为严格，包括高强度、轻量化和高韧性，以满足设计和应用的要求。Ti-5553、Ti-55531等近β钛合金具有较高的强度和韧性，是先进钛合金生产的重要趋势之一。然而，钛合金通常很难通过铸造获得优异的强度和韧性。因此，通过对铸造工艺参数的研究，优化铸态产品的结构，提高铸态产品的性能是十分重要的。本研究利用Pro-CAST软件对吸铸工艺参数进行模拟，在Ti-55531合金中加入0.1wt%的La，制备出具有超细晶粒的梯度组织，获得高强度、高延展性的优异性能。

二、【成果掠影】

近期，台州学院及浙江省工量刃具检测及深加工重点实验室的付亚波教授等人，通过模拟及在Ti-55531合金中加入0.1wt%的La，获得了具有超细晶粒的梯度结构Ti-55531。结果发现：（1）当熔化温度超过1695℃时，从边缘到中心，梯度冷却速率从88.83℃/ s逐渐减小到52.79℃/ s，再到37.51℃/ s，导致边缘区域快速凝固形成超细晶粒。在边缘处形成间距为20.5 nm的纳米级超细α相和晶粒尺寸为20 nm的β相。中心缓慢凝固生长为粗晶结构，平均尺寸为4 μm。

(2)随着半径的增大，硬度呈梯度增大的趋势，从中心处的3.67±0.12 GPa，逐渐增加到半径为R1500处的3.79±0.07 GPa，最终由于纳米超细晶粒的存在，硬度在半径为R3000处达到最大值4.12±0.33 GPa。

(3)梯度结构可以提高Ti-55531合金的强度-塑性。抗压强度和应变分别为3118 MPa和69%，比非梯度合金提高了36%和30%。

研究结果发表在《Journal of Materials Engineering and Performance》上，题目为：Gradient structure of Ti-55531 with nano-ultrafine grains fabricated by simulation and suction casting。

三、【核心创新点】

1.从边缘到中心，梯度冷却速率从88.83℃/s逐渐减小到52.79℃/s，再到37.51℃/s，导致边缘区域快速凝固形成超细晶粒。

2.梯度组织可以提高Ti-55531合金的强度-塑性。抗压强度和应变分别为3118 MPa和69%，分别比非梯度合金高36%和30%。

3.得到新的电弧熔炼的温度计算公式为:  。

四、【数据概览】

图1 图文摘要

图2  1695℃梯度温度下的冷却速率。(a)分数固体(FS) 0℃/ s为57%，为1.2564秒，(b) 88.83℃/ s为82%，为1.7476秒，(c) 52.79℃/ s为94%，为2.1160秒，(d) 37.51℃/ s为100%，为2.9756秒。

五、【成果启示】

铸造法制备梯度结构的高强韧钛合金，可以很好的平衡合金的性能及成本。本工作还突出了梯度结构的力学性能，得到了电弧熔炼温度的模拟方程，属于学科交叉领域的典范。

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