一種超細結(jié)構(gòu)高強度Ti-6Al-4V合金板材的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鈦合金材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超細結(jié)構(gòu)高強度T1-6A1-4V合金板材的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦合金具有諸多優(yōu)良特性，如高比強度、低密度、優(yōu)異的耐腐蝕性和生物相容性等，因而被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、艦艇、醫(yī)療、汽車及日常生活用品等許多領(lǐng)域。其中，T1-6A1-V合金是最早被開發(fā)的實用鈦合金之一，也是目前應(yīng)用最為廣泛的鈦合金。但隨著實際應(yīng)用對材料強度要求越來越高，T1-6A1-4V合金在某些對強度要求很高的場合下應(yīng)用受到限制。
[0003]超細晶和納米晶化是提高金屬材料強度和綜合力學(xué)性能的有效手段。目前，該領(lǐng)域研究較多的是通過強烈塑性變形(severe plastic deformat1n，簡稱SPD)的方法來實現(xiàn)鈦合金材料的超細晶或納米晶化，尤其是采用等通道角擠壓(equal channelangular pressing，簡稱 ECAP)和高壓扭轉(zhuǎn)(high pressure tors1n,簡稱 HPT)這兩種SPD方法來制備超細晶和納米晶鈦合金材料。例如，美國專利US20060213592公布了一種用ECAP方法制備納米晶鈦合金的技術(shù)，所得到的鈦合金晶粒尺寸在300nm以下；美國專利US20140271336則公布了一種采用HPT和ECAP以及熱機械加工結(jié)合處理制備納米晶鈦合金的技術(shù)，所得到的鈦合金中至少80%的晶粒具有小于Iym(100nm)的晶粒尺寸。然而，采用HPT和ECAP等sro方法獲得的超細晶或納米晶鈦合金尺寸非常有限，而且相應(yīng)的操作難度大，不易于實現(xiàn)廣泛的工業(yè)化應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種制備超細晶結(jié)構(gòu)、強度和硬度高等優(yōu)越性能的T1-6A1-4V合金板材的制備方法，該方法工藝簡單，可利用一般工業(yè)設(shè)備實現(xiàn)，生產(chǎn)效率高，易于工業(yè)化應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0006]—種超細結(jié)構(gòu)高強度T1-6A1_4V合金板材的制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)前處理:將厚度為10?60_的初始T1-6A1-4V合金板材置于550?1000°C的熱處理爐中保溫30?120分鐘，得到第一半成品板材；
[0008](2)不對稱乳制:經(jīng)步驟I熱處理后的T1-6A1_4V合金板材立即進行不對稱乳制處理，利用不對稱乳制過程中產(chǎn)生的剪切作用使材料發(fā)生強烈的塑性變形而導(dǎo)致組織超細化，乳輥初始溫度為室溫，不對稱乳制過程中板材上下表面的乳輥的線速度比為1.10?2.50，不對稱乳制的乳下量大于30%，得到厚度大于或等于Imm的第二半成品板材；
[0009](3)中間熱處理:步驟(2)處理后的T1-6A1-4V合金板材置于550?800°C的熱處理爐中，利用中間熱處理使材料內(nèi)部組織發(fā)生部分再結(jié)晶并增加其可變形能力，中間熱處理時的保溫時間為10?30分鐘，得到第三半成品板材；
[0010](4)對稱乳制:經(jīng)步驟⑶處理后的T1-6A1-4V合金板材立即進行對稱乳制，對稱乳制過程中乳輥的直徑和轉(zhuǎn)速均相同，使不對稱乳制處理后的板材更加平整化，且進一步細化組織，乳輥初始溫度為室溫，乳輥的直徑和轉(zhuǎn)速均相同，對稱乳制的乳下量大于10%，得到厚度大于或等于0.5mm的超細結(jié)構(gòu)高強度T1-6A1-4V合金板材。
[0011]步驟(2)所述的不對稱乳制的方式為乳輥直徑相同而轉(zhuǎn)速不同、乳輥直徑不同而轉(zhuǎn)速相同或乳輥直徑和轉(zhuǎn)速均不相同三種方式中的任意一種。乳輥直徑相同轉(zhuǎn)速不同時，上下兩乳輥的轉(zhuǎn)速的比例為1.10?2.50 ;乳輥直徑不同轉(zhuǎn)速相同時，上下兩乳輥的直徑的比例為1.10?2.50 ;乳輥直徑和轉(zhuǎn)速均不相同時，上下兩乳輥的直徑的比例為1.05?
2.40，上下兩乳輥的轉(zhuǎn)速的比例為1.05?2.40
[0012]步驟(I)中所述的初始T1-6A1_4V合金板材為熱乳狀態(tài)、退火狀態(tài)或固溶時效處理狀態(tài)。
[0013]步驟(I)中所述的第一半成品板材組織包括大部分為等軸狀α相組織、或大部分為板條狀(α+β)混合組織，或等軸狀α相和板條狀(α+β)比例相當?shù)慕M織。
[0014]步驟⑵中所述的第二半成品板材組織內(nèi)部平均晶粒尺寸小于I ym，組織中密排六方結(jié)構(gòu)的α相和體心立方結(jié)構(gòu)的β相共存。
[0015]步驟(4)中所述的超細結(jié)構(gòu)高強度T1-6A1_4V合金板材組織內(nèi)部平均晶粒尺寸小于500nm，組織中密排六方結(jié)構(gòu)的α相和體心立方結(jié)構(gòu)的β相共存，抗拉強度在1200MPa以上。
[0016]本發(fā)明以普通T1-6A1_4V合金板材為原料，采用不對稱乳制、中間熱處理以及對稱乳制復(fù)合的方法對普通T1-6A1-4V合金板材進行處理，利用不對稱乳制過程中產(chǎn)生的剪切作用使材料發(fā)生強烈的塑性變形而導(dǎo)致組織超細化，利用中間熱處理使材料內(nèi)部組織發(fā)生部分再結(jié)晶并增加其可變形能力，再利用對稱乳制使不對稱乳制處理后的板材更加平整化，且進一步細化組織，制備得到超細結(jié)構(gòu)高強度T1-6A1-4V合金板材。該種板材組織內(nèi)部晶粒尺寸小于500nm，為超細結(jié)構(gòu)組織，從而發(fā)揮顯著的晶界強化作用；同時組織內(nèi)部含有大量的位錯，達到位錯強化的效果；顯著的晶界強化和位錯強化作用結(jié)合使板材具有高強度的特點。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0018]1.本發(fā)明方法制備的T1-6A1-4V合金板材晶粒尺寸小于500nm，為超細晶，組織均勻；強度高于1200MPa，比普通T1-6A1-4V合金板材高200?500MPa ;同時保留了普通T1-6A1-4V合金板材優(yōu)良的耐腐蝕性能和生物相容性等優(yōu)點。
[0019]2.本發(fā)明工藝簡單、可采用一般工業(yè)設(shè)備如熱處理爐和乳機等來實現(xiàn)、不需要設(shè)計專門的模具，易于操作、生產(chǎn)效率高，便于工業(yè)化應(yīng)用。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明所用的普通T1-6A1_4V合金板材原料的典型組織金相照片；
[0021]圖2為本發(fā)明制備的超細結(jié)構(gòu)高強度T1-6A1_4V合金板材經(jīng)透射電鏡分析所得的典型組織照片；
[0022]圖3為本發(fā)明制備的超細結(jié)構(gòu)高強度T1-6A1_4V合金板材的X射線衍射分析圖譜；
[0023]圖4為本發(fā)明制備的超細結(jié)構(gòu)高強度T1-6A1_4V合金板材經(jīng)拉伸測試所得的典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；
[0024]圖5為本發(fā)明制備的超細結(jié)構(gòu)高強度T1-6A1_4V合金板材經(jīng)納米壓痕測試后所得的加載壓力和壓入深度之間的關(guān)系曲線；
[0025]圖6為本發(fā)明制備的超細結(jié)構(gòu)高強度T1-6A1_4V合金板材的納米壓痕硬度隨壓入深度變化的曲線。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0027]實施例1
[0028]以固溶時效處理狀態(tài)下的普通T1-6A1_4V合金板材為初始材料制備超細結(jié)構(gòu)高強度T1-6A1-4V合金板材的步驟如下:
[0029](I)前處理:采用固溶時效處理狀態(tài)下厚度為1mm的普通Ti_6Al_4V合金板材為原料，其典型的組織金相照片見附圖1 ;將板材置于內(nèi)600°C的熱處理爐中保溫30分鐘，得到第一半成品板材。
[0030](2)不對稱乳制:利用不對稱乳制過程中產(chǎn)生的剪切作用使T1-6A1_4V合金板材發(fā)生強烈的塑性變形而導(dǎo)致組織超細化。不對稱乳制時乳輥初始溫度為室溫，將步驟(I)得到的第一半成品板材立即進行不對稱乳制處理，不對稱乳制的方式為乳輥直徑相同而轉(zhuǎn)速不同，不對稱乳制過程中板材上下表面乳輥的線速度比例為1.50，乳下量為85%，不對稱乳制的道次數(shù)為3，不對稱乳制處理后得到的第二半成品板材的厚度為1.5mm。
[0031](3)中間熱處理:將步驟(2)處理后得到的厚度為1.5mm的第二半成品板材置于600°C的熱處理爐中保溫15分鐘，得到第三半成品板材。
[0032](4)對稱乳制:對稱乳制過程中乳輥的直徑和轉(zhuǎn)速均相同，使不對稱乳制處理后的板材更加平整化，且進一步細化組織。將步驟(3)處理后得到的第三半成品板材立即進行對稱乳制處理，對稱乳制的乳下量為67%，對稱乳制的道次數(shù)為2，得到的超細結(jié)構(gòu)高強度T1-6A1-4V合金板材為0.5mm。板材樣品經(jīng)透射電鏡分析所得的典型組織照片見附圖2，可見組織內(nèi)部晶粒大小在500nm以下；X射線衍射分析結(jié)果見附圖3，其組織結(jié)構(gòu)由密排六方結(jié)構(gòu)的α相和體心立方的β相組成；板材經(jīng)拉伸測試所得的典型工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如附圖4所示，板材的拉伸強度將近1300MPa，延伸率約為7% ;附圖5為板材樣品經(jīng)納米壓痕測試后所得的加載壓力和壓入深度之間的關(guān)系曲線，對應(yīng)的納米壓痕硬度隨壓入深度變化的曲線如附圖6所示，可見在2 μπι(2000ηπι)的壓入深度范圍內(nèi)，有效的壓痕硬度值均在6GPa左右。
[0033]實施例2
[0034]以固溶時效處理狀態(tài)下的普通T1-6A1_4V合金板材為初始材料制備超細結(jié)構(gòu)高強度T1-6A1-4V合金板材的步驟如下:
[0035](I)前處理:采用熱乳狀態(tài)下厚度為1mm的普通Ti_6Al_4V合金板材為原料；將板材置于內(nèi)550°C的熱處理爐中保溫120分鐘，得到第一半成品板材。
[0036](2)不對稱乳制:利用不對稱乳制過程中產(chǎn)生的剪切作用使T1-6A1_4V合金板材發(fā)生強烈的塑性變形而導(dǎo)致組織超細化。不對稱乳制時乳輥初始溫度為室溫，將步驟(I)得到的第一半成品板材立即進行不對稱乳制處理，不對稱乳制的方式為乳輥直徑不同而轉(zhuǎn)速相同，不對稱乳制過程中板材上下表面乳輥的線速度比例為2.50，乳下量為31%，不對稱乳制處理后得到的第二半成品板材的厚