Cryomilling and field assisted sintering of titanium alloys

• Thesis title in Czech: Kryogenní mletí a sintrování slitin titanu
• Thesis title in English: Cryomilling and field assisted sintering of titanium alloys
• Key words: slitiny titanu|prášková metalurgie|ultra-jemnozrnné materiály|fázové transformace
• English key words: titanium alloys|powder metallurgy|ultra-fine grained materials|phase transition
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Physics of Materials (32-KFM)
• Supervisor: doc. PhDr. RNDr. Josef Stráský, Ph.D.

Guidelines

1) Detailed overview of current literature on ultra-fine grained Ti and Ti alloys, powder metallurgy of Ti alloys and phase transformations in Ti alloys
2) Advanced experimental characterizaiton of material microstructure and phase transition by advanced techniques including electron microscopy and in-situ techniques.
3) Detailed discussion on effect of processing on microstructure, microstructural stability and effect of microstructure on phase transformations and their kinetics

References

G. Lutjering, J.C. Williams; Titanium; Springer; 2007
J. Šmilauerová, Master thesis: Phase transformations and microstructure changes in TIMET LCB alloy. Charles University in Prague. 2012.
D. Kent, W. L. Xiao, G. Wang, Z. Yu, M. S. Darrgusch. Thermal stability of an ultrafine grain β-Ti alloy. Materials Science and Engineering A. 2012, vol. 556, pp. 582-587.
I. Weiss, S.L. Semiatin. Thermomechanical processing of beta titanium alloys – an overview. Materials Science and Engineering A. 1998, vol. 243, pp. 46-65.
F. Sun, P. Rojas, A. Zúñiga, E.J. Lavernia, Nanostructure in a Ti alloy processed using a cryomilling technique, Materials Science and Engineering: A, 430, 2006, 90–97
F. Sun, A. Zúñiga, P. Rojas, E.J. Lavernia, Thermal Stability and Recrystallization of Nanocrystalline Ti Produced by Cryogenic Milling, Metallurigcal and Materials Transactions, 37 A, 2006, 2069-2078
O. Ertorer, T. Topping, Y. Li, W. Moss, E.J. Lavernia, Enhanced tensile strength and high ductility in cryomilled commercially pure titanium, Scripta Materialia 60 (2009) 586–589
J. Liu, A.S. Khan, L. Takacs, C. S. Meredith, Mechanical behavior of ultrafine-grained/nanocrystalline titanium synthesized by mechanical milling plus consolidation: Experiments, modeling and simulation, International Journal of Plasticity, 64, 2015, 151–163
J. Liu, A.S. Khan, L. Takacs, C. S. Meredith, Mechanical behavior of ultrafine-grained/nanocrystalline titanium synthesized by mechanical milling plus consolidation: Experiments, modeling and simulation, International Journal of Plasticity, 64, 2015, 151–163
Yan Long, Hongying Zhang, Tao Wang, Xiaolong Huang, Yuanyuan Li, Jingshen Wu, Haibin Chen, High-strength Ti–6Al–4V with ultrafine-grained structure fabricated by high energy ball milling and spark plasma sintering, Materials Science and Engineering: A, 585, 2013,, 408–414
T. G. Langdon, Twenty-five years of ultrafine-grained materials: Achieving exceptional properties through grain refinement, Acta Materialia, 61, 2013, 7035–7059
G. Gottstein. Physical foundations of Materials Science. Springer-Verlag. 2004.

Preliminary scope of work

Slitiny titanu nacházejí stale širší uplatnění v letectví, chemickém průmyslu a také v medicíně. Hlavními výhodami slitin titanu jsou vysoká korozní odolnost, vysoká pevnost a nízká hustota. Titan a jeho slitiny vykazují podobně jako železo a oceli různé alotropické modifikace. Vhodným chemickým složením slitin a termomechanickým zpracováním lze zásadně ovlivnit mikrostrukturu materiálu a mechanické vlastnosti. Jednou z možností jak zvýšit pevnost polykrystalického materiálu je zmenšit velikost zrn. Ultra-jemnozrnné materiály se vyznačují velikostí zrn menší než jeden mikrometr a vykazují výrazně zvýšenou pevnost. Tyto materiály mohou být připraveny různými metodami včetně metod intenzivní plastické deformace a práškové metalurgie.


Studovaný materiál bude připraven unikátní kombinací tzv. kryo-mletí (mletí v kapalném dusíku a kapalném argonu) a sintrování elektrickým proudem (field asssisted sintering technique). Slitiny titanu dosud nebyly kombinací těchto metod připraveny. Při kryo-mletí dochází k intenzivní plastické deformaci částic a tím ke vzniku ultra-jemnozrnné mikrostruktury. Naopak při sintrování může vlivem zvýšené teploty docházet ke zotavení a rekrystalizaci materiálu. Ultra-jemnozrnné stavy specializovaných slitin titanu a vztahy mezi ultra-jemnozrnnou mikrostrukturou a fázovými transformacem dosud nebyly studovány. Hlavní náplní diplomové práce je pokročilá experimentální charakterizace těchto materiálů a podrobné studium vlivu mikrostruktury na mechanické vlastnosti a fázové transformace. Nabízená dizertační práce je součástí výzkumu na katedře fyziky materiálů v této atraktivní oblasti.

Preliminary scope of work in English

Titanium alloys find ever growing application in aircraft industry, chemical industry and in medicine. Among the advantages of titanium alloys, corrosion resistance, high strength and low density are considered the most important. Titanium and its alloys exist, similarly to steels, in different allotropic configurations. Microstructure and mechanical properties can be partly controlled by chemical composition of the alloy and appropriate heat treatment. Another possibility how to increase the strength of polycrystalic material is to refine its microstructure and achieved so-called ultra fine grained structure (UFG), which is characterized by the grain size smaller than one micrometer. These materials can be prepared by several methods, including powder metallurgy and severe plastic deformation (SPD).

Experimental material will be prepared by unique combination of cryo-milling (ball milling in liquid nitrogen and liquid argon) a subsequent field assisted sintering. Titanium alloy have not been prepared by this technique yet. During cryo-milling, powder particles are subjected to intensive plastic defromation leading to microstructure refinement. Conversely, during sintering recovery and recrystallization may occur due to exposition to increased temperatures. The effect of microstructure on phase transition kinetics has not been thoroughly studied yet. Detailed advanced experimental characterization and detailed investigation of the effect of UFG microstructure on phase transitions shall be studied in proposed doctoral thesis. This research fits into the current research program at Department of Physics of Materials.