SUSTech bricht das "kurze Brett" von Titanlegierungen, die nicht verschleißfest sind

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SUSTech bricht das "kurze Brett" von Titanlegierungen, die nicht verschleißfest sind

2021-11-26

Gleitverschleiß ist einer der wichtigsten Faktoren für die Lebensdauer von Metallbauteilen. Daher ist die Konstruktion und Entwicklung neuer hochfester, superverschleißfester Legierungsmaterialien unerlässlich, um die Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Effizienz von technischen Komponenten zu gewährleisten, die unter rauen Betriebsbedingungen eingesetzt werden. 

Vor kurzem hat die Forschungsgruppe von Assistant Professor Ren Fuzeng vom Department of Materials Science and Engineering der Southern University of Science and Technology eine neue Strategie vorgeschlagen, um durch Anpassung der Grenzflächenstruktur und der chemischen Zusammensetzung der Legierung eine ultrahohe Verschleißfestigkeit zu erreichen.

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Gleitverschleiß ist einer der wichtigsten Faktoren für die Lebensdauer von Metallbauteilen. Bei niedrigerer Betriebstemperatur hängt die Verschleißfestigkeit von Metallbauteilen hauptsächlich von der Härte des Materials und der Entwicklung des Gefüges des Materialuntergrunds während des Reibvorgangs ab; während in der Hochtemperatur-Einsatzumgebung die Oberfläche des Materials nicht nur durch Reibungskontaktspannung und Druckspannung geschert wird, sondern auch anfällig für thermische Erweichung und Hochtemperaturoxidation ist, die die Verschleißleistung des Materials stark beeinflussen. Der komplexe Kraft-Wärme-Effekt in der Hochtemperatur-Reibungsumgebung stellt strengere Anforderungen an die Hochtemperatur-Stabilitätsauslegung der Metallkornstruktur.

Die Verwendung von Titanlegierungen hat seit ihrer industriellen Herstellung in den späten 1950er Jahren eine jahrzehntelange Geschichte. Es hat eine Reihe hervorragender Eigenschaften wie geringe Dichte, hohe spezifische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und gute Biokompatibilität erreicht. Schnelle Entwicklung. Es hat in kurzer Zeit eine starke Vitalität gezeigt und ist zu einem unverzichtbaren Material in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Schiffe, medizinische Ausrüstung, Petrochemie und militärische Energie geworden.

Ein unvermeidbares Problem von Titanlegierungsprodukten ist jedoch ihre schlechte Reibungs- und Verschleißleistung. Wenn es gegen Aluminiumoxid gerieben wird, beträgt seine Verschleißrate 10-2-10-3 mm3/N·m, was stark einschränkt Es wird häufig in rauen Umgebungen eingesetzt. Im biomedizinischen Bereich kann beispielsweise eine geringe Verschleißfestigkeit dazu führen, dass sich Implantate aus Titanlegierung lockern, und Verschleißpartikel um die Prothese herum können Entzündungen verursachen, was einer der Hauptgründe für das Scheitern von Prothesenersatzoperationen und -reoperationen ist.

Mit der kontinuierlichen Erweiterung der Anwendungen von Titanlegierungen treten immer mehr Probleme im Zusammenhang mit den Reibungs- und Verschleißeigenschaften von Titanlegierungen auf. Daher ist die Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Titanlegierungen für die Gebrauchsdauer von Titanlegierungen besonders wichtig.

Innovation: Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Legierungen durch Anpassung der Grenzflächenstruktur und der chemischen Eigenschaften

Die Forschungsgruppe von Ren Fuzeng schlug die Strategie der nanokristallinen Kornstruktur, der Korngrenzenatomseigerung und der Einführung von kohärenten nanopräzipitierten Phasen hoher Dichte vor, um eine ultrahohe Verschleißfestigkeit der Legierung bei Raumtemperatur und hoher Temperatur zu erreichen.

Basierend auf einer Vielzahl von Legierungsphasendiagrammen und thermodynamischen Berechnungen wählte das Forschungsteam eine TiMoNb-Legierung mit gleichem Atomverhältnis als Modellsystem und entwarf die Zusammensetzung und den Herstellungsprozess aus dem klassischen Verstärkungsmechanismus. Die wichtigsten Verstärkungsideen umfassen die folgenden Aspekte: 1. Es handelt sich um eine Festlösungsverstärkung: Die drei Elemente Ti, Mo und Nb haben untereinander eine große Festlöslichkeit. Unter ihnen ist Mo-Nb eine vollständig feste Lösung, und es wird keine intermetallische Verbindung zwischen den drei Elementen gebildet, was eine Verstärkung der festen Lösung gewährleistet Å, rNb = 1.46Å) und alle haben eine kubisch-raumzentrierte (bcc) Struktur, die zur kohärenten Bildung der Grenzfläche beiträgt; die dritte ist die Ausscheidungsverstärkung: das binäre Phasendiagramm von Ti-Mo und Ti-Nb zeigt, dass eine kleine Menge Ti aus der bcc-Matrix bei etwa 1.36 °C ausgeschieden wird, was die Möglichkeit einer Ausscheidungsverstärkung mit sich bringt; die vierte ist feinkörnige Verstärkung: Durch mechanisches Legieren und Spark-Plasma-Schnellsintern (SPS) soll eine ultrafeine Kristall-/Nanokristall-Matrix hergestellt und schließlich der Effekt der Feinkornverstärkung erzielt werden; Fünftens sind die drei Legierungselemente Ti, Mo und Nb üblich. Das traditionelle Hochtemperatur-Legierungssystem ist eine Voraussetzung für die Verwendung der Legierung in Hochtemperaturumgebungen. Durch die Optimierung des Hochenergie-Kugelfräs- und SPS-Verfahrens konnte die Forschungsgruppe erfolgreich eine TiMoNb-Bulk-Legierung mit einer Dichte von mehr als 1.43% und einer Härte von bis zu 850 HV herstellen.

Die Mikrostrukturanalyse zeigt, dass die Legierung aus zwei Phasen besteht, einschließlich einer B1-Matrixphase mit einer durchschnittlichen Korngröße (d) von 188 nm und einer dispergierten Ti-reichen B2-Ausscheidungsphase (d = 79 nm; 7 Vol.%), B1 und Die beiden Phasen von B2 sind kohärente Schnittstelle. Mit Hilfe der dreidimensionalen Atomsonden-Technologie (3D APT) wurde festgestellt, dass sich Ti-Atome an der B1/B2-Grenzfläche mit einer Dicke von etwa 3 nm absondern, was vollständig zeigt, dass der zu Beginn des Experiments entworfene Verstärkungsmechanismus widergespiegelt wird in der Legierung. Bei Verwendung einer Aluminiumoxidkugel als Reibpaar (Härte-1500 HV) zeigen die Ergebnisse der Verschleißfestigkeitsprüfung der TiMoNb-Legierung, dass die Verschleißrate von TiMoNb-Legierung und Aluminiumoxid bei Raumtemperatur in der gleichen Größenordnung liegt (10-4 (mm3 / N·m); Bei 600℃ beträgt die Verschleißrate der TiMoNb-Legierung nur 3.15 × 10-6 mm3/N·m, was zeigt, dass die Legierung eine extrem hohe Verschleißfestigkeit aufweist und die Verschleißfestigkeit von traditionellem Titan stark durchbricht Basierend auf der eingehenden Charakterisierung und Analyse der Zusammensetzung und Struktur der Verschleißnarbenoberfläche und des Untergrunds enthüllte das Forschungsteam den Ursprung von Ermüdungsrissen und klärte seinen Verschleißmechanismus in Umgebungen mit Raumtemperatur und hohen Temperaturen.

Ren Fuzeng stellte fest, dass die Forschungsergebnisse neue Ideen für das Design neuer hochfester verschleißfester Legierungen liefern, die in extremen Umgebungen verwendet werden, und dazu beitragen werden, die Anwendung von Multi-Principal-Legierungen im Bereich der Verschleißfestigkeit zu entwickeln. , Verschleißbeständige, thermisch stabile Legierungen haben eine gewisse Bedeutung und erforschen potenzielle Forschungsrichtungen zur Erweiterung der Anwendung des Grenzflächenphasen-Engineerings auf dem Gebiet der Multi-Principal-Element-High-Entropie-Legierungen. Die in dieser Forschung entwickelte TiMoNb-Legierung kann in verschleißfesten Hochtemperaturwerkstoffen eingesetzt werden, und ihre hohe Festigkeit, gute Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit machen sie in der Zahnmedizin, Orthopädie und anderen medizinischen Implantatmaterialien weit verbreitet. .

Diese Forschung wurde vom Shenzhen Basic Research Discipline Layout Project, dem Guangdong Innovation and Entrepreneurship Team und anderen Projekten sowie der technischen Unterstützung der Bildgebungsplattform (Pimi Center) des Analyse- und Testzentrums der Southern University of Science and Technology finanziert.

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