一種易細(xì)化晶粒的鈦合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鈦合金及其制備方法，具體是一種TiNb基超細(xì)晶及納米晶鈦合 金及其制備方法，尤其是一種低層錯(cuò)能、大尺寸超細(xì)晶鈦合金或納米晶鈦合金及其制備方 法，屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 超細(xì)晶（晶粒尺寸介于(Xlym~Iym之間）和納米晶（晶粒尺寸小于IOOnm) 材料由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等，使其表 現(xiàn)出一系列與普通多晶體和非晶態(tài)固體有本質(zhì)差別的力學(xué)、光、電、聲、磁等性能。例如，高 能量納米材料、納米隱身材料、納米磁性材料在電子信息、生物工程、航空航天、國(guó)防科技及 日常生活中有著重要用途。
[0003] 同時(shí)，鈦合金具有低密度、高強(qiáng)度、耐腐蝕等系列優(yōu)點(diǎn)。因此，具有超細(xì)晶/納米晶 的鈦合金材料具有更為廣闊的應(yīng)用前景。因大尺寸超細(xì)晶/納米材料能更好地滿足工業(yè)結(jié) 構(gòu)件的使用要求而成為納米材料研宄和開(kāi)發(fā)中的重要部分，而納米材料制備技術(shù)是納米材 料發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。
[0004] 目前，制備納米材料的方法有許多，一般可分為"由小到大"(Bottom up)的合成法 和"由大到小"（Top down)的細(xì)化法。
[0005] 所謂"由小到大"合成法就是先制備納米小顆?；蚣{米粉，再通過(guò)燒結(jié)和壓制等工 藝獲得塊體納米材料，如惰性氣體蒸發(fā)原位加壓法、機(jī)械合金及高壓凝固法、機(jī)械誘導(dǎo)粉末 冶金法等均屬于這一類(lèi)，20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的電沉積法從廣義上來(lái)說(shuō)也屬于此類(lèi)。這 類(lèi)方法在制備塊體納米材料時(shí)普遍存在以下缺點(diǎn)：
[0006] (1)制備的塊體納米材料較易被污染，污染源主要包括制粉過(guò)程中外界帶來(lái)的雜 質(zhì)和納米粉自身的氧化；
[0007] (2)制備的塊體納米材料存在空隙，不致密，從而嚴(yán)重影響納米材料的優(yōu)異性能。
[0008] "由大到小"的細(xì)化法是將塊體粗晶材料通過(guò)一些特殊工藝和設(shè)備處理使材料結(jié) 構(gòu)細(xì)化至納米級(jí)，如非晶晶化法、大塑性變形法、激冷法等便屬于這一類(lèi)。與合成法相比，這 類(lèi)方法從根本上避免了合成法難以解決的粉末污染和殘留孔隙的危害，可直接制備出二維 和三維納米晶材料。其中，適用材料范圍廣且能有效地制備塊體納米材料的工藝方法當(dāng)屬 大塑性變形法。但它也有一定的局限性，主要表現(xiàn)在所制備材料結(jié)構(gòu)的均勻性較差，晶粒 仍然不夠細(xì)（相對(duì)于納米晶結(jié)構(gòu)），就工業(yè)實(shí)用性方面來(lái)說(shuō)材料尺寸也不夠大，目前報(bào)道的 塊體納米晶純鈦三維尺寸最大只有25mmX25mmX 120mm。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種鈦合金及其制備方法，該鈦合金組份經(jīng) 優(yōu)化設(shè)計(jì)后可容易獲得超細(xì)晶鈦合金或納米晶鈦合金，突破了現(xiàn)有鈦合金納米材料的局限 性；進(jìn)一步優(yōu)選地，可容易獲得大尺寸的超細(xì)晶鈦合金或納米晶鈦合金。
[0010] 進(jìn)一步優(yōu)選地，采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的鈦合金組份，可不用借助等徑角擠壓、高壓扭 轉(zhuǎn)、疊軋等復(fù)雜且不易控制的塑性變形工藝，即可獲得超細(xì)晶鈦合金或納米晶鈦合金；尤其 是，通過(guò)低成本制備工藝可獲得大尺寸的超細(xì)晶鈦合金或納米晶鈦合金，從而突破了現(xiàn)有 技術(shù)制備鈦合金納米材料的局限性，降低了工藝控制難度及制造成本，提高了生產(chǎn)效率，具 有廣闊的應(yīng)用前景。
[0011] 更優(yōu)選的，本發(fā)明中針對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的鈦合金成分，可采用低成本、簡(jiǎn)單的熱變形制 備步驟使合金組織均勻且細(xì)化晶粒至微米級(jí)，再通過(guò)固溶處理、冷加工、時(shí)效處理最終制備 出組織穩(wěn)定的大尺寸超細(xì)晶鈦合金或納米晶鈦合金，其寬度達(dá)到300mm~1500_、長(zhǎng)度可 達(dá)到Im以上，并且清潔、致密、結(jié)構(gòu)均勻，可用于航空航天、國(guó)防科技、電子信息等領(lǐng)域的納 米隱身材料、高能量納米材料、納米磁性材料。
[0012] 眾所周知，超細(xì)晶/納米晶的晶粒細(xì)化機(jī)制主要有位錯(cuò)細(xì)化機(jī)制、孿晶細(xì)化機(jī)制 以及相變細(xì)化機(jī)制等，上述細(xì)化機(jī)制與材料的層錯(cuò)能（是指產(chǎn)生單位面積層錯(cuò)所需要的能 量）有密切關(guān)系。對(duì)于中、高層錯(cuò)能材料，主要是位錯(cuò)分割機(jī)制；對(duì)于低層錯(cuò)能材料，形變 孿晶在晶粒細(xì)化過(guò)程中起非常重要的作用，根據(jù)材料化學(xué)成分的不同也可產(chǎn)生馬氏體相 變。而低層錯(cuò)能材料的孿晶碎化機(jī)制結(jié)合位錯(cuò)分割機(jī)制可獲得比中、高層錯(cuò)能材料更細(xì)的 晶粒。
[0013] 因此，本發(fā)明提供一種易細(xì)化晶粒的鈦合金，超細(xì)晶鈦合金或納米晶鈦合金，所述 鈦合金相成分主要為β相，基本不含有應(yīng)力誘發(fā)馬氏體α "相；優(yōu)選所述鈦合金中應(yīng)力誘 發(fā)馬氏體α"相不超過(guò)5Vol %，更優(yōu)選不超過(guò)2Vol %。本發(fā)明中所涉及的"基本不含有"， 實(shí)質(zhì)上含義為不超過(guò)某一數(shù)值，例如不超過(guò)5Vol %，當(dāng)然，其含義也可以理解為極少量或沒(méi) 有。
[0014] 優(yōu)選地，所述鈦合金的組份及重量百分比為：Nb :33wt%~40wt% ;0 :0· 3wt%~ 0· 5wt% ;優(yōu)選O :0· 3wt%~0· 4wt%，其中0· 3wt%點(diǎn)值除外；余量為T(mén)i。該成分可以利用 常規(guī)的多種加工方法，獲得主要為β相的鈦合金相成分，基本不含有應(yīng)力誘發(fā)馬氏體α" 相，優(yōu)選所述鈦合金中應(yīng)力誘發(fā)馬氏體α"相不超過(guò)5Vol%，更優(yōu)選不超過(guò)2Vol%。
[0015] 優(yōu)選地，通過(guò)大量分析研宄得出，所述鈦合金的屈服強(qiáng)度σ ^與Nb、0的重量百分 數(shù)滿足下式（1):
[0016] σ 0 2= -6127. 43+405. 14χ-1921. 25y-5. 62x 2+4713. 94y2-l. 57xy (I)
[0017] 式⑴中：x為Nb的重量百分?jǐn)?shù)，x = 33~40 ;y為O的重量百分?jǐn)?shù)，y = 0. 3~ 0. 4 ；
[0018] 〇。2單位：MPa。
[0019] 更優(yōu)選地，上述相成分特征確保了該鈦合金具有的抗拉強(qiáng)度σ b不低于l〇〇〇MPa、 屈服強(qiáng)度Gtl 2不低于900MPa、延伸率δ 5高于11 %、斷面收縮率Φ不低于70%。
[0020] 優(yōu)選地，超細(xì)晶晶粒尺寸介于0. 1 μπι~1 μL?之間，納米晶晶粒尺寸小于100nm。
[0021] 更優(yōu)選地，該鈦合金層錯(cuò)能不高于200mJ/cm2。
[0022] 本發(fā)明還提供一種易細(xì)化晶粒的鈦合金，所述鈦合金的組份及重量百分比為：Nb : 33wt%~40wt% ;0 :0· 3wt%~0· 5wt%;以及選自以下元素組：0 ~3wt% V、0 ~lwt% Mo、 0~3wt% A1、0~3wt% Sn、0~4wt% Zr中的任一種或幾種，余量為T(mén)i。
[0023] 進(jìn)一步地，優(yōu)選0 :0· 3wt~0· 4wt%，其中0· 3wt%點(diǎn)值除外。
[0024] 進(jìn)一步地，所述鈦合金的[Al]當(dāng)量為2· 5~6, [Mo]當(dāng)量為9· 17~12，
[0025] [Al]當(dāng)4計(jì)算公式為：
[0026] [AlJa4 = % Al+% Sn/3+% Zr/6+% 0X10 ；
[0027] [Mo]當(dāng)量計(jì)算公式為：
[0028] [Mo] = % Mo+% Nb/3. 6+% V/l. 5 ；
[0029] 式中％表示各元素的重量百分比。
[0030] 進(jìn)一步優(yōu)選以下元素組V :0· 5wt%~3wt% ;A1 :0~2wt%，其中不含2wt%端點(diǎn) 值；Sn :lwt%~3wt% ;Zr :lwt%~4wt%中的一種或幾種。
[0031] 進(jìn)一步地，所述易細(xì)化晶粒的鈦合金的平均晶粒尺寸為IOOnm~300nm。
[0032] 進(jìn)一步地，所述易細(xì)化晶粒的鈦合金的平均晶粒尺寸為IOnm~80nm，優(yōu)選IOnm~ 60nm，更優(yōu)選 IOnm ~50nm、IOnm ~40nm、IOnm ~30nm。
[0033] 優(yōu)選地，所述鈦合金相成分主要為β相，基本不含有應(yīng)力誘發(fā)馬氏體α "相；優(yōu)選 所述鈦合金中應(yīng)力誘發(fā)馬氏體α "相不超過(guò)5Vol %，更優(yōu)選不超過(guò)2Vol %。
[0034] 優(yōu)選地，上述相成分特征確保了該鈦合金具有的抗拉強(qiáng)度〇 b不低于lOOOMPa、屈 服強(qiáng)度σα2不低于900MPa、延伸率δ 5高于11%、斷面收縮率φ不低于70%。
[0035] 優(yōu)選地，所述鈦合金晶粒內(nèi)具有取向?qū)\晶組織，孿晶片間距為5nm~30nm，孿晶界 處聚集形成位錯(cuò)纏結(jié)。
[0036] 通過(guò)上述成份優(yōu)化設(shè)計(jì)，作為β相穩(wěn)定元素的Nb、Mo和V含量以及[Mo]Si獲得 最佳臨界成分，確保鈦合金相成分基本上為β相，使孿生機(jī)制在加工變形過(guò)程發(fā)揮作用， 充分細(xì)化晶粒，獲得超細(xì)晶/納米晶；同時(shí)，作為α相穩(wěn)定元素的Al、0、Zr、Sn以及[Al] s 4獲得最佳臨界成分，抑制應(yīng)力誘發(fā)馬氏體α "相，確保鈦合金保持較高強(qiáng)度和良好的基體 塑性，可使孿生變形能夠一直持續(xù)，從而達(dá)到充分碎化晶粒的目的。
[0037] 經(jīng)上述成分優(yōu)化設(shè)計(jì)的鈦合金表現(xiàn)出較常規(guī)Ti-Nb系鈦合金、Ti-Al系鈦合金