一種制備納米結(jié)構(gòu)化鈦合金材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種制備納米結(jié)構(gòu)化鈦合金材料的方法，包括首先應(yīng)用等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝處理，使鈦合金基材經(jīng)歷深度的大塑性變形；再經(jīng)反復(fù)滾壓、拉孔、拉伸、擠出及橫鍛步驟，以獲得納米尺度的晶體結(jié)構(gòu)，再作連續(xù)高溫、高壓處理。該方法獲得使其獲得的納米鈦合金材料抗疲勞、抗斷裂以及抗腐蝕能力和優(yōu)異的機械性能。
【專利說明】
一種制備納米結(jié)構(gòu)化鈦合金材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料加工領(lǐng)域，具體涉及一種制備納米結(jié)構(gòu)化鈦合金材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦是一種銀白色的過渡金屬，其特征為重量輕、強度高、具金屬光澤，亦有良好的抗腐蝕能力。由于其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，良好的耐高溫、耐低溫、抗強酸、抗強堿，以及高強度、低密度，被美譽為“太空金屬”。在金屬元素中，鈦的比強度很高。它是一種高強度但低質(zhì)量的金屬，而且具有相當(dāng)好的延展性(尤其是在無氧的環(huán)境下)。鈦的表面呈銀白色金屬光澤。它的熔點相當(dāng)高(超過I，649攝氏度)，所以是良好的耐火金屬材料。目前，鈦合金主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，同時，鈦合金在醫(yī)用材料領(lǐng)域方面的需求量也越來越大，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)界對鈦合金材料的力學(xué)性能要求越來越高。
[0003]傳統(tǒng)制造鈦合金材料的方法主要有擺碾成形、鍛造、拉拔、乳制、旋轉(zhuǎn)鍛造、扭轉(zhuǎn)變形、靜液擠壓等形變強化，以提高鈦合金材料強度并保證一定韌性，而且還可有效細化晶粒。但是通過上述方法獲得的材料的織構(gòu)具有流線型，細化后的晶粒具有方向性，且為小角度晶界。由于鈦合金是難變形材料，因此獲得材料的塑性較差，因此，必須尋求新的技術(shù)和工藝方法，進一步提高鈦合金材料力學(xué)性能，保證高密度的前提下兼有高的強度和良好的韌性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提一種制備納米結(jié)構(gòu)化鈦合金材料的方法。主要解決目前鈦合金材料變形難、可塑性較差的問題，同時提高鈦合金材料抗疲勞、抗斷裂以及抗腐蝕能力，獲得更加優(yōu)化的機械性能。
[0005]本發(fā)明的一種制備納米結(jié)構(gòu)化鈦合金材料的方法，包括將鈦合金材料經(jīng)過等通道轉(zhuǎn)角擠壓、滾壓，使其深度的大塑性變形，再經(jīng)反復(fù)拉伸、擠出及橫鍛.獲得納米結(jié)晶結(jié)構(gòu)化鈦合金材料，其特征在于:等通道轉(zhuǎn)角擠壓和滾壓為連續(xù)非等溫擠壓和滾壓。
[0006]上述本發(fā)明的方法，所說的等通道轉(zhuǎn)角擠壓、滾壓，其工藝順序可以按擠壓、滾壓的先后順序進行，也可以先滾壓、后擠壓的順序進行，它們也可以交替進行，但工藝應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的，擠壓和滾壓各工藝段的溫度不等同。足以使其深度的大塑性變形即可。
[0007]所述連續(xù)非等溫，是指整個工藝過程中各工藝階段采用的溫度處理不一樣，但整個流程是連續(xù)性的。
[0008]上述本發(fā)明的方法，進一步包括將納米結(jié)構(gòu)化鈦合金進行連續(xù)高溫、高壓處理。所述高溫如圖6中的ECAP中的700-850°C;熱模的溫度200-300°C，所述高壓是高凈態(tài)壓500-1200MPa，優(yōu)先 500-700MPa。
[0009]上述本發(fā)明的方法，進一步包括拉孔步驟。
[0010]上述本發(fā)明的方法，進一步，進一步包括鈦合金的退火處理。
[0011]上述本發(fā)明的方法，其熱模的溫度控制在200-300°C之間，滾子的溫度控制在20-50°C之間。
[0012]上述本發(fā)明的方法，所述納米，其納米的平均晶粒尺寸為40-70nm范圍，優(yōu)選40-60nm范圍。
[0013]上述本發(fā)明的方法，所述等通道轉(zhuǎn)角為90度直角，等通道轉(zhuǎn)角擠壓為多維度擠壓，重復(fù)2-4次。等通道轉(zhuǎn)角擠壓優(yōu)選為3維度擠壓，優(yōu)選重復(fù)3次。所述多維度擠壓是指前后、左右、上下及扭轉(zhuǎn)等各個方向全方位的深度剪切擠壓。
[0014]所述納米結(jié)構(gòu)化鈦合金材料為桿材。
[0015]本發(fā)明的方法，其基本過程是，首先應(yīng)用等通道轉(zhuǎn)角擠壓(Equa1-channelangular processing，ECAP)和滾壓工藝處理，轉(zhuǎn)角優(yōu)選直角，ECAP擠壓和滾壓工藝不分先后，也可交替進行，使鈦合金基材經(jīng)歷深度的大塑性變形;再經(jīng)反復(fù)拉孔、拉伸、擠出及橫鍛步驟，以獲得納米尺度的晶體結(jié)構(gòu);進一步，包括對納米結(jié)構(gòu)晶體相的鈦合金材料作連續(xù)高溫如ECAP中的溫度為700-850°C，和高壓如500-1200MPa，優(yōu)先500-700MPa處理，使其獲得抗疲勞、抗斷裂以及抗腐蝕能力，采用連續(xù)非等溫ECAP-滾壓(Continuous Non-1sothermalECAP-rolling)技術(shù)，使鈦合金達到超強變形。各熱模入口直徑以微尺度逐級縮小，如在每次通過時縮小0.002英寸(50.8μπι)，熱模的溫度控制在200-300°C之間，滾子的溫度則控制在20-50 °C之間。其中，等通道轉(zhuǎn)角擠壓ECAP為多維度擠壓，重復(fù)2-4次。等通道轉(zhuǎn)角擠壓優(yōu)選為3維度(也可簡稱為3D)擠壓，優(yōu)選重復(fù)3次。
[0016]上述ECAP-滾壓，可設(shè)多個ECAP鍛造模子，由相應(yīng)滾子所“饋聯(lián)”，這些滾子通過冷卻劑的供給維持著比正在受到ECAP處理的工件低得多的溫度。在ECAP鍛造模子外面的桿體節(jié)段，則發(fā)生相對的熱膨脹，這種熱膨脹會在ECAP模子出口處造成“背壓”。這種限制力有利于材料內(nèi)部精細結(jié)構(gòu)的形成。
[0017]上述本發(fā)明的方法，所述擠壓是在高靜態(tài)壓力如500_700MPa，最高能達到1200MPa下，使被加工鈦合金材料受到可控數(shù)量的大量剪切變形，使材料獲得顯著的晶粒細化。
[0018]優(yōu)選的，本發(fā)明的方法，采用熱機械工藝的加工方案，如圖6中，整個過程都涉及到高溫，結(jié)果表明，這種熱機械加工方案可使被加工材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更優(yōu)的均一性。
[0019]例如，考察cp2級鈦金屬的納米晶體化加工中的特性演進。Cp2級鈦金屬未作退火處理時，0.2%的屈服應(yīng)變率以及極限屈服時的荷載強度分別高達500-600MPa與600-700MPa，且常伴隨相當(dāng)顯著的(甚至是不可接受的)延展性能的喪失。但是，當(dāng)這種鈦金屬作退火處理后，上述屈服應(yīng)變可分別在276Mpa于345MPa時就達到。
[0020]另一方面，在極低溫下對cp鈦金屬施加張力拉伸，一般不到10%即發(fā)生斷裂，這當(dāng)然是不可接受的。但是，當(dāng)經(jīng)過審慎的熱處理，則可使這類鈦金屬的延展性達到可接受的水平;不過，這種結(jié)果不容易重復(fù)。因此，本發(fā)明的方法采取將ECAP加工與熱機械加工復(fù)合起來的工藝可以使被加工鈦合金材料實現(xiàn)更加優(yōu)化的機械性能，如加工納米結(jié)構(gòu)化的cp 2級與4級鈦金屬、T1-6A1-4V鈦合金的桿狀材料。結(jié)果表明，經(jīng)過本發(fā)明所述工藝下的受控鍛造處理，可使材料(直徑8.6mm、長度為400mm的桿)沿長度方向以及橫截面上獲得更為均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其特性變化在±5%以內(nèi)。而且，對受控鍛造處理后的cp2級鈦金屬，只要簡單的退火處理，就可以提升15%以上的展延度，而其強度沒有顯著下降。因而，可以在實現(xiàn)常規(guī)cp鈦金屬的延展性能時，使其強度得到很大提升。cp2級與4級鈦金屬的性能改善，超過了常規(guī)醫(yī)用的T1-6A1-4V鈦合金。cp2級鈦金屬的屈服強度與極端拉伸強度分別可達到100MPa與I 10MPa以上，cp4級鈦金屬的屈服強度與極端拉伸強度分別可達到1050MPa與1200MPa以上。這些前所未有的性能的改善，不僅可以增強cp鈦金屬裝置的性能，而且在一些特定應(yīng)用中用cp類鈦金屬來替換常規(guī)的T1-6A1-4V鈦合金。
[0021]上述本發(fā)明的方法，在一些實施方案中，還包括更多熱處理-機械鍛造(滾壓、拉刀切削與擠出等)步驟，以適合T1-6A1-4V與T1-6Al-7Nb鈦合金材料的納米結(jié)構(gòu)化加工，同時，對于T1-6A1-4V鈦合金，在最后一步的熱機械工藝與機械鍛造復(fù)合處理完成后，只要再作一次低溫退火，就可以使其展延力與抗疲勞強度分別增大50%與10%。
[0022]上述本發(fā)明的方法，所得的鈦合金晶粒尺寸約為30-70nm，優(yōu)選40-60nm范圍。
[0023]在優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明的制備納米結(jié)構(gòu)化鈦合金材料的方法，按圖6的工藝步驟和工藝參數(shù)，在轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)步驟I中，溫度控制在700-850°C之間，滾壓和/或拉刀切削步聚11的溫度控制在200-400°C之間，拉伸擠出步驟III的溫度控制在200-300°C之間，鈦合金晶粒尺寸降低到40-60nm范圍。采用90°角的ECAP模子。在步聚II與步驟III兩階段中多步驟的處理，每一個處理均會派生出非均一性的應(yīng)變，合理搭配這些步驟的組合，組合優(yōu)化來累積sro變形量，能連續(xù)地造就晶粒細化結(jié)構(gòu)形成，使被處理的鈦合金材料會實現(xiàn)優(yōu)化的均勻變形以及結(jié)構(gòu)細化。
[0024]常規(guī)鈦材是很難進行機械加工的金屬之一，雖然近來的工業(yè)實踐已經(jīng)提出了許多加工方案，而且實現(xiàn)了很好的表面拋光能力。部分原因是由于鈦合金的低彈性模量，所以需要更大剛性的設(shè)備。鈦金屬與鈦合金相對低的熱導(dǎo)性，則導(dǎo)致機械加工中溫度的增加?？朔@些問題所要采取的措施將導(dǎo)致機械加工成本的上升。這就造成了很大問題。本發(fā)明的方法解決了上述問題，可以明顯改善和優(yōu)化鈦合金的機械加工性能，解決了鈦合金材料變形難、可塑性較差的問題，同時，提高鈦合金材料抗疲勞、抗斷裂以及抗腐蝕能力。在獲得更加優(yōu)化的機械性能的同時不增長加工成本。
【附圖說明】
[0025]圖1連續(xù)等通道轉(zhuǎn)角擠壓法(ECAP)的大塑性變形處理工藝流程圖。
[0026]圖2給予可控步驟的熱機械加工下200C時的鈦金屬機械特性的演化。
[0027]圖3SH)工藝處理cp2級鈦金屬納米結(jié)構(gòu)化后的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)曲線。
[0028]圖4SH)工藝處理后的cp2級鈦金屬材料內(nèi)部的TEM圖像。
[0029]圖5T1-6A1_4V鈦合金納米結(jié)構(gòu)化加工后的拉伸應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系及其等軸拉伸應(yīng)變微結(jié)構(gòu)的TEM圖像。
[0030]圖6針對T1-6A1-4V鈦合金納米結(jié)構(gòu)加工的工藝流程圖，圖中，Np代表重復(fù)次數(shù)，％代表拉伸至失敗的重復(fù)次數(shù)。
【具體實施方式】
[0031]以下實施例用以進一步說明和理解本發(fā)明的實質(zhì)，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
[0032]實施例1連續(xù)非等溫CEPT擠壓cp2納米鈦合金材料的制備
[0033]按照圖1的流程圖，可多個ECAP鍛造模子(優(yōu)選3個)，壓力為500_700MPa，由相應(yīng)滾子所“饋聯(lián)”，這些滾子通過冷卻劑的供給維持著比正在受到ECAP處理的工件低得多的溫度。熱模溫度控制在200-300°C，滾子的溫度控制在20-50 V，在ECAP鍛造模子外面的桿體節(jié)段，則發(fā)生相對的熱膨脹，這種熱膨脹會在ECAP模子出口處造成“背壓”。這種限制力有利于材料內(nèi)部精細結(jié)構(gòu)的形成。將鈦合金材料置入熱模等通道，經(jīng)過多維度全方位轉(zhuǎn)角擠壓，重復(fù)三次、再非等溫滾子反復(fù)滾壓、拉伸、擠出及橫鍛。根據(jù)檢晶粒大小檢測情況，可以或重復(fù)前述工藝流程2-4次，獲得納米結(jié)晶結(jié)構(gòu)化鈦合金材料，并作退火處理。
[0034]獲得的納米結(jié)晶結(jié)構(gòu)化鈦合金材料具有優(yōu)異的機械特性，見圖2，與只采用ECAP加工時相比，復(fù)合加工的屈服強度與極端拉伸強度增加了80%以上。圖2中標(biāo)注“RA”曲線表示面積下降，而標(biāo)注“％”則指拉伸至失效。應(yīng)當(dāng)注意到，所指的加工步驟不是在室溫環(huán)境下進行的，而是在200 °C-850 °C這個范圍內(nèi)實現(xiàn)的。此外，在幾個步驟之間多次執(zhí)行退火處理。事實上，溫度的嚴格控制，對于實現(xiàn)內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)進而材料特性的改善是相當(dāng)關(guān)鍵的;這些加工步驟本身，不會帶來過多的成本。
[0035]獲得的cp2納米結(jié)晶結(jié)構(gòu)化鈦合金材料呈現(xiàn)極高的屈服強度(達100MPa)，在極限強度(約1200MPa)下呈現(xiàn)一個平臺，表明它的展延性能也得到提升，其材料硬度超過3.6GPa，見圖3，表示的是cp2級鈦金屬納米結(jié)構(gòu)化后的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)曲線。
[0036]獲得的cp2納米結(jié)晶結(jié)構(gòu)化鈦合金材料，其納米晶粒的尺寸在30nm彡d彡70nm范圍，見圖4。從圖4中可見，這種材料擁有這類晶粒，且這些晶粒通常幾乎沒有位錯，這與傳統(tǒng)SPD工藝處理后的金屬或合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)行為完全不同，而這恰恰是納米結(jié)構(gòu)化金屬與合金材料的典型行為。晶粒結(jié)構(gòu)沒有位錯，是材料表現(xiàn)出極高機械強度的重要原因。進一步，這些晶粒呈等軸行為，這賦予其納米晶體的各向同性。
[0037]實施例2T1-6Al_4V鈦合金納米結(jié)構(gòu)加工
[0038]按參照實施例1的方法，加工T1-6A1_4V鈦合金，獲得納米結(jié)晶結(jié)構(gòu)化鈦合金桿材，并作退火處理。其中多維度全方位轉(zhuǎn)角擠壓，重復(fù)2-4次。
[0039]獲得的納米T1-6A1-4V鈦合金材料，與常規(guī)T1-6A1-4V鈦合金材料相比，加工后的材料特性確實得到了增強(見圖5)。從圖5可見，最大荷載處呈現(xiàn)平滑過程，這是一種材料擁有相對高應(yīng)變率敏感性的典型標(biāo)志，而高的應(yīng)變率敏感度則歸因于這種材料的高度展延性。容易看出，這種材料的屈服強度超lOOOMPa，而其極限拉伸強度接近1200MPa。其中插圖是這種納米結(jié)構(gòu)材料的一個典型橫截面圖，其中的晶粒平均尺寸大約70nm。簡單的退火處理就可以提升多達5?6%的展延能力，而不損其拉伸強度，實現(xiàn)其拉伸強度與展延性能的同時提升。
[0040]實施例3T1-6Al_4V鈦合金納米結(jié)構(gòu)加工
[0041 ]按照圖6的工藝流程圖和參數(shù)，將T i_6六1-4￥鈦合金置入第I階段的熱模入口，進入等通道，經(jīng)過3維度全方位轉(zhuǎn)角擠壓，溫度控制700-850°C在循環(huán)(重復(fù))2-4次，進入第II階段的滾子滾壓和拉孔，溫度控制200-400°C、進入第III階段的拉伸擠出，溫度控制200-3000C，最后橫鍛整理，獲得納米結(jié)晶結(jié)構(gòu)化鈦合金桿材，并作退火處理。
[0042]在上述工藝中，可以采取對第II與第III兩階段的處理步驟的組合優(yōu)化來累積SPD變形量，使能連續(xù)地造就晶粒細化結(jié)構(gòu)形成。
[0043]獲得的納米T1-6A1-4V鈦合金材料，與實施例2的T1-6A1-4V鈦合金材料相比，在最后一步的熱機械工藝與機械鍛造復(fù)合處理完成后，只要再作一次低溫退火，就可以使其展延力與抗疲勞強度分別增大50%與10%。11-641-4￥鈦合金納米晶粒尺寸降低到40-60nm范圍。明顯改善材料抗疲勞性能。
【主權(quán)項】
1.一種制備納米結(jié)構(gòu)化鈦合金材料的方法，包括將鈦合金材料經(jīng)過等通道轉(zhuǎn)角擠壓、滾壓，使其深度的大塑性變形，再經(jīng)反復(fù)拉伸、擠出及橫鍛，獲得納米結(jié)晶結(jié)構(gòu)化鈦合金材料，其特征在于:等通道轉(zhuǎn)角擠壓和滾壓為連續(xù)非等溫度擠壓和滾壓。2.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括將納米結(jié)構(gòu)化鈦合金材料進行連續(xù)高溫、高壓處理。3.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括拉孔處理步驟。4.如權(quán)利要求1或3所述的方法，進一步包括退火處理。5.如權(quán)利要求4所述的方法，其熱模的溫度控制在200-300°C之間，滾子的溫度控制在20-50 °C 之間。6.如權(quán)利要求1所述的方法，所述納米，其納米的平均晶粒尺寸為30-7Onm范圍。7.如權(quán)利要求6所述的方法，所述納米的平均晶粒尺寸為40-60nm范圍。8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述等通道轉(zhuǎn)角為90度直角，等通道轉(zhuǎn)角擠壓為多維度擠壓，重復(fù)2-4次。9.如權(quán)利要求8所述的方法，所述多維度為3維度，重復(fù)3次。10.如權(quán)利要求1所述的方法，所述納米結(jié)構(gòu)化鈦合金材料為桿材。
【文檔編號】C22F1/18GK106086739SQ201610644359
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月9日 公開號201610644359.1, CN 106086739 A, CN 106086739A, CN 201610644359, CN-A-106086739, CN106086739 A, CN106086739A, CN201610644359, CN201610644359.1
【發(fā)明人】宋國立, 蔣家歡, 許春明
【申請人】重慶國立元創(chuàng)生物科技有限公司