高能喷丸作用下钛合金表层梯度纳米结构的形成机制

The surface mechanical attrition treatment is one of the most practical techniques for synthesizing a nanostructured surface layer on metallic materials. The effect of the chemical compositions, original microstructures and plastic strain, strain rate, temperature on the deformation mechanism is a physical fundamental of synthesizing a nanostructured surface layer on materials via surface mechanical attrition treatment and deciding the surface properties, global properties and workabilities. Aiming to the titanium alloys being applied in aviation and aerospace industries,a gradiently nanostructured surface layer with above 100 μm on bulk titanium alloy will be fabricated by designing and controlling high energy shot peening(HESP) process, and the performance of the gradiently nanostructured surface layer on bulk titanium alloy will be investigated. And, the heat stability and diffussion bonding properties of a gradiently nanostructured surface layer on bulk titanium alloy will also be investigated via the hardness in room temperature, DSC, heat coarsening and diffusion bonding experiments so as to optimize the processing parameters for processing the surface layer on bulk titanium alloy via HESP. Meanwhile, a coordinating deformation mechanism and a mecahnically drived mechanism of grain boundary migration in the forming process of the gradiently nanostructured surface layer on bulk titanium alloy fabricated by using HESP will be studied and the formation mechanism of the gradiently nanostructured surface layer on bulk titanium alloy will be clarified through XRD, TEM, EBSD and SAED experiments, in order to advance the nanocrystallization theory and improve the surface properties and global properties of bulk titanium alloy.

应用表面机械处理方法制备金属材料表层纳米结构更具有实际应用潜力。材料成分、原始微观组织状态以及塑性应变、应变速率、温度对形变机制的影响构成了材料采用表面机械处理方法实现表面纳米化的物理基础，决定着其处理后的表面性能、整体性能和热加工性能。本研究项目以航空航天领域用钛合金为对象，通过主动设计与控制高能喷丸过程，在块体钛合金表层制备出厚度超过百微米的梯度纳米结构，研究块体钛合金表层梯度纳米结构特性；通过室温硬度实验、DSC实验、高温粗化实验和扩散连接实验，研究块体钛合金表层梯度纳米结构的热稳定性和扩散连接性能，优选高能喷丸处理块体钛合金的合理工艺参数；通过XRD、TEM、EBSD、SAED实验，研究高能喷丸作用下块体钛合金表层梯度纳米结构的协调变形机理和机械驱动的晶界迁移机制，阐明块体钛合金表层梯度纳米结构的形成机制，为完善块体钛合金表层纳米化理论与提高其表面性能和整体综合性能奠定理论基础。

纳米金属材料往往具备十分突出性能，但是某些性能急剧恶化，成为纳米金属材料走向工业应用的瓶颈。本研究项目以航空航天领域广泛应用的TC4、TC17合金为实验材料，通过研制气动式智能控制喷丸机、调控喷丸处理过程，在钛合金表层制备出厚度为120～160μm的梯度纳米结构。TC4合金喷丸处理后距表面1μm处晶粒尺寸为24.5nm，TC17合金喷丸处理后距表面1μm处晶粒尺寸为10.5nm。TC17合金喷丸处理后表面显微硬度由喷丸处理前440HV0.02提高到629HV0.02,TC4合金喷丸处理后表面显微硬度由喷丸处理前315HV0.025提高到486HV0.025。同时，系统表征了钛合金喷丸处理后剧烈塑性变形区精细结构，深刻阐明了钛合金喷丸处理时表层纳米晶形成机制，获得了喷丸处理时钛合金表层塑性变形时两相协调机理和机械驱动下晶界迁移机理，发现了喷丸处理时密排六方结构钛向面心立方结构钛的转变。本项目发表SCI论文12篇，中科院I区论文5篇，II区论文3篇，TOP期刊论文7篇，SCI引用73篇次；国际学术会议口头报告3篇，获最佳口头报告1篇；获授权国家发明专利2项。本项目在执行过程中主办了金属材料及加工国际学术会议（ICMMP2018）1次。本项目主要研究人员获国家特别支持计划（万人计划）百千万工程领军人才1人。本项目培养博士后1人，博士毕业生2人，硕士毕业生3人。本项目为钛合金表层纳米化方法创新与技术发展奠定了重要基础，具有广泛应用前景，正在应用于航空发动机风扇叶片抗疲劳制造，进一步扩大了钛合金的应用领域。