Una nuova visione dell'alto

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 23467 (2016) Citare questo articolo

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È noto che la formatura semisolida può ottenere una microstruttura a grana grossa solo in alcuni sistemi di leghe con un basso punto di fusione, come le leghe di alluminio e magnesio. Questo lavoro presenta che la formatura semisolida potrebbe anche produrre una nuova microstruttura bimodale composta da matrice nanostrutturata e gemelli Ti2 micro-dimensionati (CoFe) in una lega di titanio, Ti62Nb12.2Fe13.6Co6.4Al5.8. La sinterizzazione semisolida indotta dalla trasformazione eutettica per formare una microstruttura bimodale nella lega Ti62Nb12.2Fe13.6Co6.4Al5.8 è un approccio fondamentalmente diverso da altri metodi noti. La lega fabbricata presenta un elevato limite di snervamento di 1790 MPa e una deformazione plastica del 15,5%. La nuova idea fornisce una nuova visione sull'ottenimento di microstruttura a nanogranuli o bimodale in sistemi di leghe con alto punto di fusione mediante formatura semisolida e sulla fabbricazione di leghe metalliche ad alte prestazioni in applicazioni strutturali.

I materiali nanostrutturati spesso mostrano una bassa duttilità a temperatura ambiente e un incrudimento molto limitato o assente a causa della limitata capacità di dislocazione1. Un approccio fattibile e pratico per migliorare la duttilità dei materiali nanostrutturati consiste nel formare una microstruttura bimodale con la coesistenza di grani su scala nanometrica e micron2. La formazione di una tale microstruttura bimodale potrebbe fornire materiali nanostrutturati con elevata resistenza e duttilità rispetto ai materiali nanostrutturati monofase o ai materiali convenzionali a grana grossa3. In generale, tale microstruttura bimodale può essere ottenuta mediante diversi percorsi, come il trattamento termomeccanico4, il consolidamento delle polveri5, il metodo di ricristallizzazione6 e la solidificazione rapida7. In particolare, molte leghe di titanio con microstruttura bimodale sono state preparate mediante rapida solidificazione e presentano elevata resistenza e grande plasticità7,8,9,10,11,12,13. Ad esempio, la lega Ti60Cu14Ni22Sn4Nb10 ha una resistenza di 2400 MPa e una deformazione plastica del 14,5%7 mentre Ti63.375Fe34.125Sn2.5 mostra una resistenza di 2650 MPa e una plasticità del 12,5%12. Le caratteristiche metallurgiche tipiche per ottenere leghe di titanio a microstruttura bimodale mediante rapida solidificazione sono la nucleazione preferenziale e la crescita di dendriti β-Ti cubici a corpo centrato (bcc) di dimensioni micron da fusioni ad alta temperatura seguite dalla rapida solidificazione del liquido rimanente con elevata densità struttura imballata in modo casuale per ottenere matrice nanostrutturata7,8,9,10,11,12,13.

Essendo una delle tecnologie più importanti per la lavorazione dei materiali, la caratteristica principale della formatura semisolida comprende una speciale microstruttura solida non dendritica e una temperatura di formatura moderata che si trova tra la temperatura solidus e liquidus14. Integrati in più discipline, sono stati sviluppati spontaneamente una serie di metodi di formatura semisolida, accoppiamento con fusione, estrusione, forgiatura, laminazione e così via. Tuttavia, l’attuale formatura semisolida di solito comprende un processo relativamente complicato per la preparazione di un impasto liquido di leghe semisolide e sfortunatamente può produrre solo microstrutture a grana grossa in alcuni sistemi di leghe con un basso punto di fusione15, come le leghe di alluminio e le leghe di magnesio. Finora è impossibile formare una microstruttura nanocristallina o bimodale in sistemi di leghe ad alto punto di fusione, ad esempio leghe di titanio.

Secondo i diagrammi di stato binari delle leghe16, una tipica trasformazione eutettica avvenuta alla temperatura eutettica può essere espressa come α + β ↔ L, dove α e β sono due componenti solidi e L è uno stato liquido. Attualmente, la fase liquida nella formatura semisolida basata sulla trasformazione eutettica ha una struttura a pacchetto casuale relativamente libera nelle leghe di alluminio e nelle leghe di magnesio17. Questo è il motivo per cui l'attuale formatura semisolida non può ottenere una microstruttura nanocristallina o bimodale. Pertanto, sorge una domanda: se una fase liquida, risultante dalla reazione eutettica preferenziale di due fasi solide in un sistema di leghe multifase con un alto punto di fusione, ha una struttura a impaccamento casuale altamente densa, la composizione di questa fase liquida tendono a formare una fase/microstruttura nanostrutturata in fase di solidificazione17,18? Indubbiamente lo stato semisolido costituito da tale fase liquida è diverso da quelli della suddetta formatura semisolida. Come supportato da studi approfonditi (ad esempio rif. 17,18) sulla formazione di nanostrutture o leghe vetrose mediante rapida solidificazione, è facile ottenere uno stato semisolido con struttura a pacchetto casuale altamente densa in sistemi di leghe multicomponenti ad alto punto di fusione. punto. Tale caratteristica dello stato semisolido con una struttura impacchettata in modo casuale altamente densa può essere significativa e potrebbe essere impiegata per fabbricare materiali di nuova struttura, come con microstruttura a nanograna o bimodale, mediante formatura semisolida da sistemi di leghe multicomponente aventi un punto di fusione elevato. Ciò potrebbe superare il collo di bottiglia dell'attuale formatura semisolida, ovvero produrre microstruttura a grana grossa da leghe con basso punto di fusione e migliorare la sua capacità di lavorare leghe con un'elevata temperatura di fusione e anche di formare nuove microstrutture.