表层梯度纳米结构钛合金的增强增塑机制

Enhanced strength and plasticity in titanium alloys are urgently demanded for the development of aerospace industry. It will be possible to improve the comprehensive mechanical properties and service behaviors of titanium alloys by using the concept of gradient nanostructured surface layer. Therefore, the mechanisms of enhanced strength and plasticity in gradient nanostructured surface layer of titanium alloys have become the critical basis to realize the robust control of their strength and plasticity. In this study, the gradient nanostructure of high energy shot peening processed titanium alloys will be characterized in multiscale and the effects of structure parameters on their strength and plasticity will be analyzed by using XRD, EBSD, TEM and tensile test. The correlations between the strength and plasticity of titanium alloys and the gradient nanostructure will be hence established. Then, the optimal high energy shot peening parameters will be confirmed to obtain goal strength and plasticity. In addition, the micro-nanostructure characteristics of multiscale grains will be investigated to illustrate the effects of gradient nanostructure on dislocation storage capability and the interaction mechanism between dislocation and boundaries by using in-situ TEM and HRTEM. Then, the mechanisms of collaborative evolution of multiscale grains will be elucidated. The mechanisms of enhanced strength and plasticity in gradient nanostructured surface layer of titanium alloys will be thus revealed for the purpose of active control in strength and plasticity.

钛合金的增强增塑是航空航天工业发展的迫切需求。应用表层梯度纳米结构理念将将使优化和提高钛合金的综合力学性能和使役行为成为可能，而表层梯度纳米结构钛合金的增强增塑机制是钛合金强塑性稳健调控亟需解决的关键基础问题。本项目拟采用XRD、EBSD、TEM、拉伸试验等方法，多尺度表征钛合金高能喷丸后的梯度纳米结构，研究梯度纳米结构参数对钛合金强塑性的影响规律和显著性，阐明钛合金强塑性与梯度纳米结构的关联特性，确定目标强塑性下钛合金高能喷丸参数的极限范围；采用原位TEM、HRTEM等方法，研究表层梯度纳米结构钛合金不同尺度晶粒的微纳观结构特征，分析梯度纳米结构对钛合金位错存储能力的影响及位错与界面的交互作用，阐明钛合金表层梯度纳米结构的多尺度晶粒协调演化机制，揭示表层梯度纳米结构钛合金的增强增塑机制，为实现表层梯度纳米结构钛合金强塑性主动调控奠定理论基础。

强度和塑性作为先进金属结构材料的核心力学性能决定着其在工程应用中的使役行为，往往两者不可兼得。新一代飞机和高性能发动机对钛合金的强塑性等综合力学性能提出了更严苛的要求。基于表层梯度纳米结构理念，实现钛合金的增强增塑是航空航天工业发展的迫切需求。本项目采用高能喷丸法在TC4和TC17钛合金表层制备出梯度纳米结构，应用试验与理论分析相结合的方法，研究了钛合金在不同空气压力和喷丸处理时间下表层晶粒形貌、尺寸分布等微观结构特征，分析了钛合金在不同高能喷丸工艺参数及梯度纳米结构特征下的屈服强度、抗拉强度和延伸率，阐明了高能喷丸工艺参数和梯度纳米结构对钛合金强塑性的影响；研究了表层梯度纳米结构钛合金在拉伸过程中显微硬度及残余应力演化特征及其加工硬化行为，分析了梯度纳米结构对钛合金位错存储能力的影响，揭示了表层梯度纳米结构钛合金的增强增塑机制。本项目取得了以下重要研究成果：（1）获得了高能喷丸作用下钛合金表层梯度纳米结构演化及其强塑性响应特征；（2）明确了高能喷丸对钛合金表面性状、显微硬度及残余应力的影响；（3）阐明了钛合金强塑性与高能喷丸工艺参数及梯度纳米结构的关联特性；（4）明晰了表层梯度纳米结构钛合金的加工硬化行为及拉伸断裂行为；（5）揭示了以表层梯度纳米结构及残余压应力为特征的钛合金在外载下基于应变梯度实现增强增塑的机制。本项目共发表学术论文9篇，其中SCI论文9篇，SCI他引共37次；获授权国家发明专利1项，获受理国家发明专利2项；协助培养博士研究生1人，硕士研究生3人。本项目研究成果为实现表层梯度纳米结构钛合金强塑性主动调控奠定了理论基础，对发展和完善表层梯度纳米结构钛合金增强增塑理论与技术具有重要意义。