Percée dans la recherche sur les alliages de cuivre et de titane à grains ultrafins de haute performance par l'Institut des métaux

Compared to conventional grain size (5-10 μ m) Compared to titanium alloys, ultrafine grained titanium alloys not only have higher strength and good plasticity matching, but also have higher wear resistance and better biocompatibility, making them highly attractive in many important application fields such as aerospace and biomedical fields. However, the preparation and processing of ultrafine grained titanium alloys are extremely difficult, and the thermal stability of the structure is poor. These two major bottleneck issues restrict the development and application of ultrafine grained titanium alloys.



L'équipe de Yang Ke de l'Institut des métaux de l'Académie chinoise des sciences est engagée depuis longtemps dans la recherche fondamentale et appliquée sur les nouveaux matériaux métalliques médicaux. Récemment, les membres de l'équipe Ren Ling, Wang Hai et d'autres ont adopté l'idée de conception de microstructure de « coquille biphasée enveloppée de grains équiaxiaux ultra-fins » (Figure 1), améliorant ainsi la stabilité thermique de la structure en alliage de titane à grains ultra-fins à la fois thermodynamique et dynamique, et a réalisé la préparation à grande échelle des microstructures ci-dessus en utilisant la combinaison de processus de traitement thermique conventionnel et de travail à chaud, résolvant les deux goulots d'étranglement de la préparation et du traitement difficiles de l'alliage de titane à grains ultra-fins et de la mauvaise stabilité structurelle. Nous avons obtenu des alliages de cuivre-titane à grains ultrafins avec d'excellentes performances et une stabilité thermique élevée. Récemment, des résultats de recherche pertinents ont été publiés en ligne dans Nature Communications.



L’équipe de recherche s’est engagée ces dernières années dans la recherche intégrée et l’application de la structure et de la fonction biologique des alliages cuivre-titane. Sur la base de travaux de recherche antérieurs, l'équipe a proposé une stratégie de préparation pour un alliage cuivre-titane à grains ultra-fins avec « alliage d'éléments eutectoïdes → trempe → déformation à chaud » (EQD) (Figure 2), réalisant le concept de conception d'une microstructure à double coquille de phase enveloppée de grains équiaxés ultra-fins. Cette stratégie est mise en œuvre grâce à un équipement de travail à chaud conventionnel α- Préparation à grande échelle d'un alliage Ti6Al4V5Cu à grains ultrafins avec une granulométrie de Ti comprise entre 90 et 500 nm (Figure 2). Dans le même temps, l'utilisation du revêtement de structure en nid d'abeilles à double phase β/Ti2Cu α. La taille des grains améliore considérablement la stabilité thermique de la structure de grains équiaxes ultrafins, augmentant la température d'instabilité du matériau à 973 K (0,55 Tm) (Figure 3). La résistance à la traction à température ambiante de l'alliage Ti6Al4V5Cu à grains ultrafins atteint un maximum de 1,5 GPa et l'allongement dépasse 10 %. À 650 ℃ et une vitesse de déformation de 0,01 s-1, son allongement en traction dépassait 1 000 % (Figure 1), obtenant ainsi une déformation superplastique. De plus, l’alliage Ti6Al4V-5Cu à grains ultrafins n’a pas subi de grossissement ni de croissance des grains dans des conditions de couplage thermique en traction à haute température (Figure 4). Cette stratégie EQD permet non seulement de préparer des structures à grains ultrafins de haute performance et de haute stabilité thermique d'autres alliages de titane tels que TiCu et TiZrCu, mais s'étend également à d'autres systèmes d'alliages, notamment les matériaux en acier, offrant une nouvelle approche pour la préparation de grains ultrafins. matériaux métalliques. Il revêt une grande importance pour la conception et la recherche de matériaux métalliques à grains ultrafins.



The above work was jointly completed by the teams of Yang Ke and Ren Ling from the Institute of Metals, Qiu Dong from the Royal Melbourne Institute of Technology in Australia, and Chen Xingqiu from the Shenyang National Research Center for Materials Science at the Institute of Metals. Wang Hai, Assistant Researcher of Institute of Metals, is the lead author, and Qiu Dong, Researcher of Ling Project of Institute of Metals and Professor of Royal Melbourne University of Technology, Australia, is the corresponding author.



La recherche a été soutenue par le programme clé national de R&D, les projets clés et généraux de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (NSFC), le projet clé de coopération internationale de l'Académie chinoise des sciences et le « Programme de revitalisation des talents du Liaoning » de la province du Liaoning.



Structure design and properties of nanocrystalline Ti6Al4V5Cu alloy with dual phase honeycomb shell structure, (a) Schematic diagram of structure design; (b) The instability temperature grain size diagram shows that the material has good structural thermal stability; (c) The room temperature strength elongation diagram shows that compared to other titanium alloys, the material has a good strength plasticity match; (d) The elongation of the material exceeds 1000% in the tensile Stress–strain curve at 650 ℃/0.01s-1.



Caractérisation de la structure et analyse du mécanisme de formation de l'alliage nanocristallin Ti6Al4V5Cu avec structure en nid d'abeille double phase, (a) observation du mode d'imagerie HAADF ; (b) Observation par balayage de surface du spectre énergétique ; (c) Diagramme schématique du mécanisme de formation de la structure de coque en nid d'abeille à double phase ; (d) diagramme de diffraction XRD ; (e) β· Cos（ θ)- Sin（ θ) Figure, l'ajout de Cu augmente la microdéformation dans l'alliage trempé ; (f) L'ajout de Cu a affiné les nouilles plates Martensite ; (g) L'ajout de Cu est bénéfique pour que l'alliage subisse un glissement cylindrique et forme des structures cristallines équiaxes lors de la déformation à chaud.



Analyse de stabilité thermique de la microstructure de l'alliage Ti6Al4V5Cu avec des nanocristaux à structure en nid d'abeille double phase, (a) microstructure EBSD après maintien à différentes températures pendant 1 heure ; (b) L'observation TEM à haute résolution indique que α、β、 Il existe une relation d'orientation cristallographique spécifique entre les phases Ti2Cu ; (c) Un modèle pour calculer l'énergie de limite de phase des matériaux basé sur les premiers principes ; (d) Diagramme polaire EBSD, indiquant α、β、 La phase Ti2Cu peut toujours conserver son orientation initiale après avoir été maintenue à 700 ℃ pendant 1 heure ; (e) Analyse 3DAP de la microstructure initiale de l'alliage Ti6Al4V5Cu ; (f) Analyse 3DAP de l'alliage Ti6Al4V5Cu après maintien à 650 ℃ pendant 1 heure.



Observation SEM in situ de l'évolution lors de l'étirement à 650 ℃, (a) structure SEM à l'état initial ; (b) Un grossissement local montre que le matériau a une structure en nid d'abeille ; (c) ε = organisation SEM à 0,4 ; (d) Un grossissement partiel montre que l'encoche FIB autour de la limite de phase a dévié ; (e) Calculer la distribution des microdéformations dans le matériau en fonction du déplacement des nœuds d'encoche FIB ; (e) Le glissement interfacial joue un rôle important dans la déformation superplastique des matériaux.


Source : site Internet du China Daily