经过悬浮处理的三元Ti-Co-Al合金的多相转变及其拉伸力学性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Multiple phase transitions and tensile mechanical properties of levitation processed ternary Ti-Co-Al alloy

　　

摘要

通过在电磁悬浮状态下主动控制多相变，增强了三元Ti₇₃Co₂₀Al₇合金的拉伸机械性能。在过冷合金中，初级（βTi）枝晶发生了破碎和细化，同时由于溶质捕获效应，这些枝晶内的Co溶解度得到增加。通过内部电磁搅拌，液流和溶质传输都得到了加速。Ti₂Co包晶相的生长形态转变显示出了从拟二元共晶转变到三元包晶转变的微观结构继承性。在过冷合金中，随着初级（βTi）枝晶的细化，其边界附近的拉伸应力集中得到了分散。此外，(βTi)枝晶中的Co固溶强化以及Ti₂Co包晶相的增强都阻碍了裂纹的扩展。由于这些多重强化效应，在240K过冷条件下固化的合金的拉伸强度比电弧熔化的合金提高了3.8倍。

引言

钛（Ti）合金具有低密度、高强度和优异的耐腐蚀性等优点，被认为是最具吸引力的结构材料之一。在 verschiedenen 类型的Ti合金中，添加了β稳定元素（如Co、Nb、Ni、Cu、Fe）的β-Ti合金具有较低的弹性模量、更好的耐腐蚀性和增强的生物相容性，成为生物医学和航空航天领域不可或缺的结构和功能材料[1]、[2]、[3]、[4]。这些β稳定元素形成了金属间化合物，作为(βTi)基体的第二相强化，进一步改善了钛合金的机械性能。通常，这些金属间相的形成伴随着一系列复杂的液固相变，特别是共晶或包晶转变[5]、[6]。对于钛合金的共晶和包晶凝固机制的研究对基础研究和实际应用具有重要意义。最近，通过一系列快速凝固技术[7]、[8]，在钛基共晶和包晶凝固微观结构的复杂形态特征方面取得了显著进展。

通过精确控制共晶和包晶转变以及多相微观结构，通过调整加工参数（如过冷度、冷却速率和快速凝固过程中的流体流动条件[9]、[10]，制备出了优异的钛基合金。彻底理解这些加工参数与非平衡条件下共晶/包晶转变之间的关系对于有效调控钛合金的多相微观结构和性能至关重要。

最近，电磁悬浮（EML）加工技术已被用于确定过冷钛合金的液相性质和快速凝固动力学[11]、[12]。EML技术提供了对大块样品进行过冷处理的独特可能性，同时可以在非平衡条件下进行原位观察结晶[13]。由于消除了微观偏析、形成了亚稳态相以及在深度过冷状态下的多相调制，EML技术成为加工先进金属材料的理想策略。在悬浮合金熔体中的传热和传质是无容器凝固多相系统的关键因素之一[14]。在EML状态下，高频磁场诱导的洛伦兹力作用下，液体合金内部产生了强烈的湍流以及振荡和旋转，加速了多相转变过程中的溶质传输。总体而言，EML提供了一个无容器环境，有效地消除了 crucible 污染，对于加工高反应性钛合金尤为重要。通过实现深度过冷，EML能够精确控制相的生长和多相微观结构的演变，为调控复杂钛合金的机械性能提供了有效策略。

在这项工作中，选择了三元Ti₇₃Co₂₀Al₇合金作为实验对象，基于以下考虑来研究快速凝固机制。添加具有β稳定作用的Co元素有助于优化钛基合金的机械性能，并增强了TiCo和Ti₂Co金属间化合物的强化[15]、[16]、[17]、[18]。这些金属间化合物的强化阻碍了滑移带和位错的运动，此外Ti₂Co相的硬度相对高于TiCo相[19]。Al元素作为α稳定元素，是钛合金中最常用的添加元素之一[20]。在三元Ti-Co-Al合金的凝固过程中，初级（βTi）枝晶的形核以及涉及TiCo和Ti₂Co相的金属间化合物的生长起源于共晶和包晶转变，形成了复杂的多相微观结构[21]。需要阐明这些相在快速凝固条件下的成核和共同生长机制。利用EML技术研究了合金的快速凝固机制，讨论了无容器加工过程中多物理场演变的典型特征及其对合金微观结构动力学的影响。通过EML技术实现深度过冷和快速凝固，合金的拉伸性能通过多种强化机制得到了提高。通过晶体塑性快速傅里叶变换（CPFFT）模型探讨了合金的微观结构与拉伸性能之间的相关性。

章节摘录

实验程序

Ti₇₃Co₂₀Al₇母合金样品的重量为2克，由纯钛（99.999%）、钴（99.999%）和铝（99.999%）在电弧熔炉中制备。在准备EML实验时，真空室被抽至1×10^-4Pa，然后重新充入超高纯度氦气至10⁵Pa。接着，母合金样品在悬浮线圈的中心通过洛伦兹力被悬浮，并由高频电磁场熔化。

相变路径

图1(a)显示了Ti-Co-Al合金系统的平衡相图[21]。Ti₇₃Co₂₀Al₇合金的成分位于（βTi）相区域，接近（βTi）-TiCo二元共晶线和三元包晶转变点。因此，合金的凝固过程中涉及到初级（βTi）枝晶的形成、（βTi）+ TiCo二元共晶和Ti₂Co包晶相的形成。应当注意的是，Ti₂Co包晶相的生长与四相过程有关

结论

在这项工作中，Ti₇₃Co₂₀Al₇合金通过EML技术实现了最大240K的过冷快速凝固。系统研究了合金的多相转变机制和拉伸性能。主要结论总结如下：

• (1)
  过冷Ti₇₃Co₂₀Al₇合金的相变路径总结为：Ⅰ. L → (βTi)，Ⅱ. L → (βTi) + TiCo，Ⅲ. L + (βTi) + TiCo → Ti₂Co，Ⅳ. (βTi) → (αTi) + Ti₂Co。(βTi) → (αTi) + Ti₂Co的共晶转变

CRediT作者贡献声明

阮莹：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源获取，概念化。魏斌：撰写 – 审稿与编辑，资源获取。刘凯龙：方法学，数据管理。李宏瑞：撰写 – 原始草稿，软件，方法学，研究，正式分析，数据管理，概念化。杨明辉：撰写 – 审稿与编辑，可视化，研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52225406、52088101和52073232）、中国载人航天计划的空间应用系统（项目编号KJZ-YY-NCL0604）以及秦创源“科学家和工程师”团队发展项目（项目编号2025QCY-KXJ-152）的财务支持。我们还要感谢李翊雪女士和刘慧女士在实验中的帮助。

H.R. Li | M.H. Yang | K.L. Liu | Y. Ruan | B. Wei中国西北工业大学物理科学与技术学院极端条件材料物理与化学国家重点实验室，西安 710072