XRD冷熱臺助力我國零膨脹鈦合金特殊材料研發

時間：2021-10-12閱讀：2455

　　近日，東莞理工學院中子散射技術工程研究中心王皓亮博士使用我公司生產的LRT-X變溫XRD冷熱臺在冶金材料領域的TOP期刊《Scripta Materialia》上發表題目為《Nano-precipitation leading to linear zero thermal expansion over a wide temperature range in Ti22Nb》的研究論文。論文介紹了在寬溫域線性零膨脹鈦合金特殊熱膨脹性能形成機理方面取得的最新進展。

　　論文第一作者為東莞理工學院機械工程學院王皓亮博士，通訊作者為機械工程學院孫振忠教授，共同通訊作者為比利時魯汶大學Matthias Bönisch博士，合作作者有中國散裂中子源殷雯研究員和徐菊萍博士等。王皓亮博士主要從事金屬材料物相晶體結構、微觀組織及應力分析；鈦合金固態相變及功能性研究；高等級耐熱鋼焊接接頭蠕變失效預測研究。

(圖1.Ti22Nb合金通過析出納米尺寸第二相獲得的寬溫域零膨脹性能)

　　在航空航天、微電子器件、光學儀器等精密儀器設備中應用的結構部件，對尺寸穩定性有極為嚴苛的要求。由于溫度升高或降低而導致的材料形狀變化對其功能特性和可靠性有著很大影響。因此，具有近零熱膨脹性能的鈦合金在需要高尺寸穩定性的結構中具有*的應用價值。例如，美國國家航空航天局已針對太空望遠鏡所需的超高穩定性支撐結構，使用這類鈦合金制造了鏡體支架。在激光加工領域，已有使用這種材料制造的光學透鏡筒體，解決了透鏡焦點熱漂移的問題。這類材料特殊的熱膨脹性能與其內部α?馬氏體物相的各向異性熱膨脹行為有關。但是，現有的通過冷加工工藝獲得的低熱膨脹系數僅限于單相馬氏體相區，即使用溫度上限通常小于100℃，限制了其在工程領域的廣泛應用。

　　研究人員利用中子衍射技術表征材料微觀結構的巨大優勢，配合使用XRD冷熱臺實現測試樣品的溫度變化，精確鑒定了線性零膨脹Ti22Nb鈦合金中的物相組成，證實了依靠溶質元素擴散遷移形成的等溫α?iso相也具備調控熱膨脹系數的功能。相對于冷加工材料，該研究中通過機械+熱循環處理獲得的雙相復合材料，其低熱膨脹行為的作用范圍被拓寬至300℃。結合其他原位X-ray衍射和EBSD/TKD電子顯微表征技術，在納米到微米尺寸范圍內全面分析了材料微結構要素，澄清了熱循環過程中納米尺寸α?iso相的形成路徑，揭示了微觀晶格畸變/相變應變、晶體學取向參量和宏觀熱膨脹系數的之間的定量關系，為設計具有較寬使用溫度范圍的低/負熱膨脹鈦合金提供了新的途徑，是從理論研究向技術和產品層面躍進的重要依據和前提。