一種制備納米結構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構化鈦合金材料的方法，包括首先應用等通道轉角擠壓工藝處理，使鈦合金基材經(jīng)歷深度的大塑性變形；再經(jīng)反復滾壓、拉孔、拉伸、擠出及橫鍛步驟，以獲得納米尺度的晶體結構，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】
一種制備納米結構化鈦合金材料的方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料加工領域，具體涉及一種制備納米結構化鈦合金材料的方法。
【背景技術】
[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)定的化學性質，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量的金屬，而且具有相當好的延展性(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，鈦合金主要應用于航空航天領域，同時，鈦合金在醫(yī)用材料領域方面的需求量也越來越大，隨著科學技術的不斷發(fā)展，工業(yè)界對鈦合金材料的力學性能要求越來越高。
[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、旋轉鍛造、扭轉變形、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，必須尋求新的技術和工藝方法，進一步提高鈦合金材料力學性能，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構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構化鈦合金材料的方法，包括將鈦合金材料經(jīng)過等通道轉角擠壓、滾壓，使其深度的大塑性變形，再經(jīng)反復拉伸、擠出及橫鍛.獲得納米結晶結構化鈦合金材料，其特征在于:等通道轉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，但工藝應當是連續(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構化鈦合金進行連續(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，所述等通道轉角為90度直角，等通道轉角擠壓為多維度擠壓，重復2-4次。等通道轉角擠壓優(yōu)選為3維度擠壓，優(yōu)選重復3次。所述多維度擠壓是指前后、左右、上下及扭轉等各個方向全方位的深度剪切擠壓。
[0014]所述納米結構化鈦合金材料為桿材。
[0015]本發(fā)明的方法，其基本過程是，首先應用等通道轉角擠壓(Equa1-channelangular processing，ECAP)和滾壓工藝處理，轉角優(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)反復拉孔、拉伸、擠出及橫鍛步驟，以獲得納米尺度的晶體結構;進一步，包括對納米結構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，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，等通道轉角擠壓ECAP為多維度擠壓，重復2-4次。等通道轉角擠壓優(yōu)選為3維度(也可簡稱為3D)擠壓，優(yōu)選重復3次。
[0016]上述ECAP-滾壓，可設多個ECAP鍛造模子，由相應滾子所“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)部精細結構的形成。
[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，結果表明，這種熱機械加工方案可使被加工材料內(nèi)部結構實現(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，且常伴隨相當顯著的(甚至是不可接受的)延展性能的喪失。但是，當這種鈦金屬作退火處理后，上述屈服應變可分別在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，這當然是不可接受的。但是，當經(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，這種結果不容易重復。因此，本發(fā)明的方法采取將ECAP加工與熱機械加工復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，如加工納米結構化的cp 2級與4級鈦金屬、T1-6A1-4V鈦合金的桿狀材料。結果表明，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)部結構，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構化加工，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)明的制備納米結構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)地造就晶粒細化結構形成，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構細化。
[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備。鈦金屬與鈦合金相對低的熱導性，則導致機械加工中溫度的增加?？朔@些問題所要采取的措施將導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級鈦金屬納米結構化后的單軸拉伸應力-應變響應曲線。
[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鈦合金納米結構化加工后的拉伸應力與應變關系及其等軸拉伸應變微結構的TEM圖像。
[0030]圖6針對T1-6A1-4V鈦合金納米結構加工的工藝流程圖，圖中，Np代表重復次數(shù)，％代表拉伸至失敗的重復次數(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，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)部精細結構的形成。將鈦合金材料置入熱模等通道，經(jīng)過多維度全方位轉角擠壓，重復三次、再非等溫滾子反復滾壓、拉伸、擠出及橫鍛。根據(jù)檢晶粒大小檢測情況，可以或重復前述工藝流程2-4次，獲得納米結晶結構化鈦合金材料，并作退火處理。
[0034]獲得的納米結晶結構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中標注“RA”曲線表示面積下降，而標注“％”則指拉伸至失效。應當注意到，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)部納米結構進而材料特性的改善是相當關鍵的;這些加工步驟本身，不會帶來過多的成本。
[0035]獲得的cp2納米結晶結構化鈦合金材料呈現(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級鈦金屬納米結構化后的單軸拉伸應力-應變響應曲線。
[0036]獲得的cp2納米結晶結構化鈦合金材料，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)部結構行為完全不同，而這恰恰是納米結構化金屬與合金材料的典型行為。晶粒結構沒有位錯，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鈦合金納米結構加工
[0038]按參照實施例1的方法，加工T1-6A1_4V鈦合金，獲得納米結晶結構化鈦合金桿材，并作退火處理。其中多維度全方位轉角擠壓，重復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變率敏感性的典型標志，而高的應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構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鈦合金納米結構加工
[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維度全方位轉角擠壓，溫度控制700-850°C在循環(huán)(重復)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，獲得納米結晶結構化鈦合金桿材，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)地造就晶粒細化結構形成。
[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。
【主權項】
1.一種制備納米結構化鈦合金材料的方法，包括將鈦合金材料經(jīng)過等通道轉角擠壓、滾壓，使其深度的大塑性變形，再經(jīng)反復拉伸、擠出及橫鍛，獲得納米結晶結構化鈦合金材料，其特征在于:等通道轉角擠壓和滾壓為連續(xù)非等溫度擠壓和滾壓。2.如權利要求1所述的方法，進一步包括將納米結構化鈦合金材料進行連續(xù)高溫、高壓處理。3.如權利要求1所述的方法，進一步包括拉孔處理步驟。4.如權利要求1或3所述的方法，進一步包括退火處理。5.如權利要求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.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述等通道轉角為90度直角，等通道轉角擠壓為多維度擠壓，重復2-4次。9.如權利要求8所述的方法，所述多維度為3維度，重復3次。10.如權利要求1所述的方法，所述納米結構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