Το Πανεπιστήμιο Xi'an Jiaotong έχει σημειώσει νέα πρόοδο στον σχεδιασμό χαμηλού κόστους, υψηλής αντοχής και σκληρών κραμάτων τιτανίου

Το Πανεπιστήμιο Xi'an Jiaotong έχει σημειώσει νέα πρόοδο στον σχεδιασμό χαμηλού κόστους, υψηλής αντοχής και σκληρών κραμάτων τιτανίου

Το κράμα τιτανίου υψηλής ειδικής αντοχής είναι ένα σημαντικό δομικό υλικό για εξοικονόμηση ενέργειας, μείωση εκπομπών και ελαφρύ. Οι μακροσκοπικές μηχανικές του ιδιότητες μπορούν να βελτιστοποιηθούν προσαρμόζοντας τα χαρακτηριστικά πυκνότητας και χωρικής κατανομής των ορίων κόκκων (GBs) και των διεπαφών εκτός φάσης (PBs). Για παράδειγμα, η ρύθμιση της δομής και των χαρακτηριστικών της διεπαφής / φάσης με ασυνεχές πλέγμα σε κράματα τιτανίου μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες του κράματος. Για τα κράματα τιτανίου, εκτός από τη μετάβαση φάσης διάχυσης ( → ), τα PB υψηλής πυκνότητας μπορούν επίσης να εισαχθεί στο κράμα τιτανίου μέσω της μετάβασης μετατόπισης χωρίς διάχυση ( → ') υπό συνθήκες ταχείας ψύξης. Η μετάβαση μαρτενσιτικής φάσης στα κράματα τιτανίου μπορεί να πραγματοποιήσει δύο βασικά πλεονεκτήματα: από τη μία πλευρά, η μετάβαση φάσης καθοδηγείται από ταχεία ψύξη (η η θερμική σταθερότητα της φάσης υψηλής θερμοκρασίας μειώνεται) για την κατασκευή μιας διφασικής μικροδομής και την παραγωγή διεπιφανειακής σκλήρυνσης. από την άλλη πλευρά, η μετάβαση φάσης που προκαλείται με δύναμη (η μηχανική σταθερότητα της φάσης θερμοκρασίας δωματίου μειώνεται), συνήθως εκδηλώνεται ως χαμηλότερη αντοχή διαρροής, αλλά μεγαλύτερη ικανότητα σκλήρυνσης εργασίας και επιμήκυνση θραύσης, δηλαδή η μετάβαση φάσης προκαλεί πλαστικότητα Γενικά, η μαρτενσιτική ενίσχυση συμμορφώνεται με την κλασική σχέση Hall-Petch. Ως εκ τούτου, είναι επιθυμητό να σχεδιαστούν νανο-μαρτενσιτικά στη μικροδομή για την ενίσχυση του κράματος και τη διατήρηση της λογικής ολκιμότητας, επιτυγχάνοντας έτσι εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες. Ωστόσο, δεδομένου ότι οι μεγαλύτεροι κόκκοι με μέγεθος δεκάδων ή και εκατοντάδων μικρών σε κράματα τιτανίου τείνουν να σχηματίζονται μαρτενσιτικά φύλλα σε επίπεδο μικρών και υπομικρών, η πυκνότητα διεπαφής φάσης είναι χαμηλή και η αντοχή διαρροής δεν είναι υψηλή. Ως εκ τούτου, η χρήση της μηχανικής ορίων κόκκων (GBE) για την κατασκευή σκληρών κραμάτων τιτανίου υψηλής αντοχής με λεπτή μικροδομή εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση .

Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω προβλήματα, η ομάδα του Academician Sun Jun, State Key Laboratory of Metal Materials Strength, Xi'an Jiaotong University, πρότεινε μια νέα στρατηγική για την κατασκευή νανο-μαρτενσιτών με χρήση χημικής διεπαφής Engineering (CBE), η οποία είναι διαφορετική από την μηχανική ορίων κόκκων που χρησιμοποιούσε παραδοσιακές μεθόδους θερμομηχανικής επεξεργασίας στο παρελθόν. Με βάση την ιδέα σχεδιασμού ότι η σημαντική αναντιστοιχία διάχυσης μεταξύ των στοιχείων κράματος σε υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να κατασκευάσει μια χημική διεπαφή υψηλής πυκνότητας (CBs, που ορίζονται ως η ασυνέχεια της κλίσης συγκέντρωσης στο τουλάχιστον ένα στοιχείο σε μια συνεχή περιοχή του πλέγματος), η ομάδα εξετάζει τη διαφορά στον ρυθμό διάχυσης διαφορετικών στοιχείων κράματος στους πίνακες BCC-Ti και HCP-Ti και επιλέγει το χαμηλού κόστους στοιχείο γρήγορης διάχυσης Cr και το αργό -στοιχείο διάχυσης Al, χρησιμοποιώντας Ti-xCr-4.5 Zr-5.2 Al (x=1.8, 2.3, 2.8% κ.β.) Ως υλικό μοντέλου, το κράμα ρυθμίζει την πυκνότητα της χημικής ουσίας l διεπαφή μέσω του στοιχείου γρήγορης διάχυσης Cr. Η αναντιστοιχία διάχυσης των στοιχείων Cr και Al σε υψηλή θερμοκρασία σχηματίζει ένα CB υψηλής πυκνότητας, το οποίο μπορεί να διαιρέσει κάθε κόκκο σε μεγάλο αριθμό νανοτομέων φτωχών σε Cr και πλούσιων σε Al. Η επακόλουθη διαδικασία ψύξης με νερό, ο μαρτενσίτης (δομικός μετασχηματισμός) είναι πιο πιθανό να πυρηνωθεί σε αυτούς τους πλούσιους σε Al ή φτωχούς σε Cr νανοτομείς, δηλαδή, αυτοί οι πλούσιοι σε Al ή φτωχοί σε Cr νανοτομείς χρησιμεύουν ως πυρηνικές τοποθεσίες νανο-μαρτενσίτη, ενώ η χημική διεπαφή χρησιμεύει ως εμπόδιο στην ανάπτυξη του μαρτενσίτη, περιορίζοντας την ταχεία ανάπτυξή του. Με βάση την ιδέα CBE, η ομάδα δημιούργησε με επιτυχία το μικρότερο νανο-μαρτενσιτικό μέχρι σήμερα στο Ti-2.8 Cr{{32 }}.5 Zr-5.2 κράμα Al (το μέσο μέγεθος είναι 20±6nm, όπως φαίνεται στο σχήμα 1). Ταυτόχρονα, το κράμα τιτανίου έχει το χαμηλότερο κόστος, την υψηλότερη ειδική αντοχή και το εξαιρετικό ισχυρό πλαστικό αντιστοίχιση όλων των υλικών μαρτενσιτικού κράματος τιτανίου που αναφέρονται επί του παρόντος (όπως φαίνεται στο σχήμα 2) και έχει καλές προοπτικές εφαρμογής ts.Η στρατηγική σχεδίασης μηχανικής διεπαφής χημικών που προτείνεται από την ομάδα ξεπερνά τους περιορισμούς της αρχικής ιδέας σχεδιασμού μικροδομής/σύνθεσης κράματος και της μεθόδου θερμομηχανικής επεξεργασίας του κράματος τιτανίου και παρέχει νέες ιδέες για το σχεδιασμό προηγμένων κραμάτων τιτανίου και άλλων μετάλλων υψηλής απόδοσης δομικά υλικά με παρόμοια χαρακτηριστικά. Δομικά υλικά.

Μικροδομή και κατανομή σύνθεσης πολυεπίπεδου νανο-μαρτενσιτικού Ti-2.8 Cr-4.5 Zr-5.2 κράμα Al μετά από ψύξη με νερό

Μηχανικές ιδιότητες πολυεπίπεδου νανο-μαρτενσιτικού Ti-2.8 Cr-4.5 Zr-5.2 κράμα Al σε θερμοκρασία δωματίου μετά από ψύξη με νερό και ψύξη με αέρα