纯钛多尺度结构制备与强韧化机制

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钛具有密度低、比强度与比模量高、耐腐蚀性好等优点,在航天航空和高性能汽车领域具有广阔的应用前景。随着航空航天飞行器和高性能汽车的高速发展,对于钛零部件的使役性能要求不断提高,即不仅需要大幅提升钛的强度,同时其必须要保持足够的韧性(塑性)。然而传统方法制备的钛通常在提高强度的同时,其塑性会大幅下降,即存在强度-塑性倒置问题。本文针对此瓶颈问题,将不同晶粒大小的钛板与钛箔进行叠层堆垛,再利用真空热压烧结结合轧制技术制备出晶粒多尺度变化的纯钛。利用电子背散射衍射技术(EBSD)和透射电子显微镜(TEM)表征多尺度结构纯钛的微观组织特征;阐明了叠层堆垛方式和CNTs对多尺度结构纯钛力学性能的影响规律,并利用原位拉伸技术结合SEM和三维X射线显微镜(XRM)研究了多尺度结构纯钛裂纹萌生与扩展规律,揭示其强化机制与断裂机理。采用不同的叠层堆垛方式,制备出芯部至表面晶粒大小连续递减的梯度结构纯钛板材,以及粗晶粒与细晶粒交替排列的层状结构纯钛板材;将梯度结构纯钛板材再次进行叠层轧制,可以制备出叠层轧制纯钛板材;此外,在梯度结构表面细晶层间引入CNTs,成功制备出CNTs梯度结构纯钛板材。利用EBSD技术对多尺度结构纯钛微观组织进行了表征:梯度结构纯钛的内部晶粒从芯部到表面呈现梯度变化规律,即芯部区域晶粒较大、中间层次之和表面层最小,其平均晶粒大小分别为1.1μm、500nm和300nm;梯度结构芯部到表面的晶粒尺度不同,其织构亦不相同,织构由基面织构逐渐往双峰织构转化,且双峰织构的偏离角度逐渐偏大。梯度结构纯钛再次进行叠层轧制获得叠层轧制纯钛,其晶粒会进一步细化,约为200nm,且叠层轧制纯钛的织构变化与梯度结构纯钛相似。力学性能测试结果表明,梯度结构纯钛板材的屈服和抗拉强度分别为525MPa和619MPa,相对于原始纯钛板材(屈服和抗拉强度分别为271MPa和357MPa)分别提升了93.7%和73.3%,而断裂延伸率仍高达30.8%。层状结构纯钛板材的屈服和抗拉强度分别为573MPa和683MPa,相对于原始纯钛板材分别提升了111.4%和91.3%,而断裂延伸率仍为24%;叠层轧制纯钛板材的屈服和抗拉强度分别高达726MPa和819MPa,相比于原始纯钛板材提高了167.9%和129.4%,且依然保持足够的断裂延伸率(约17.6%)。CNTs梯度结构纯钛的屈服和抗拉强度分别为650MPa和761MPa,相较于原始纯钛板材提升了139.9%和113.2%,且其断裂延伸率为24.3%。由此可知,由于轧制成形时材料晶粒得到细化,引入细晶层的纯钛板材的强度明显提升,且其断裂延伸率没有明显降低,因而通过多尺度结构设计结合轧制技术可以为解决纯钛的强度-塑性倒置问题提供一种可行方法。多尺度结构纯钛表现出优异的强韧化性能的可能原因是粗晶粒提供足够的塑性而细晶粒提供高强度。原位拉伸结合三维X射线断层扫描研究发现:对于叠层轧制纯钛,其裂纹扩展主要分为三个阶段:裂纹萌生、初始扩展阶段:对应于试样均匀变形阶段,直至宏观应变达到6.7%为止;其次为裂纹快速扩展阶段:对应于试样宏观应变范围为6.7%-12.7%;最后为裂纹失稳扩展阶段:当宏观应变范围为12.7%至断裂。
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