CN106086739A - 一种制备纳米结构化钛合金材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种制备纳米结构化钛合金材料的方法，包括首先应用等通道转角挤压工艺处理，使钛合金基材经历深度的大塑性变形；再经反复滚压、拉孔、拉伸、挤出及横锻步骤，以获得纳米尺度的晶体结构，再作连续高温、高压处理。该方法获得使其获得的纳米钛合金材料抗疲劳、抗断裂以及抗腐蚀能力和优异的机械性能。

Description

一种制备纳米结构化钛合金材料的方法

技术领域

本发明属于金属材料加工领域，具体涉及一种制备纳米结构化钛合金材料的方法。

背景技术

钛是一种银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具金属光泽，亦有良好的抗腐蚀能力。由于其稳定的化学性质，良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度，被美誉为“太空金属”。在金属元素中，钛的比强度很高。它是一种高强度但低质量的金属，而且具有相当好的延展性(尤其是在无氧的环境下)。钛的表面呈银白色金属光泽。它的熔点相当高(超过1,649摄氏度)，所以是良好的耐火金属材料。目前，钛合金主要应用于航空航天领域，同时，钛合金在医用材料领域方面的需求量也越来越大，随着科学技术的不断发展，工业界对钛合金材料的力学性能要求越来越高。

传统制造钛合金材料的方法主要有摆碾成形、锻造、拉拔、轧制、旋转锻造、扭转变形、静液挤压等形变强化，以提高钛合金材料强度并保证一定韧性，而且还可有效细化晶粒。但是通过上述方法获得的材料的织构具有流线型，细化后的晶粒具有方向性，且为小角度晶界。由于钛合金是难变形材料，因此获得材料的塑性较差，因此，必须寻求新的技术和工艺方法，进一步提高钛合金材料力学性能，保证高密度的前提下兼有高的强度和良好的韧性。

发明内容

本发明的目的在于提一种制备纳米结构化钛合金材料的方法。主要解决目前钛合金材料变形难、可塑性较差的问题，同时提高钛合金材料抗疲劳、抗断裂以及抗腐蚀能力，获得更加优化的机械性能。

本发明的一种制备纳米结构化钛合金材料的方法，包括将钛合金材料经过等通道转角挤压、滚压，使其深度的大塑性变形,再经反复拉伸、挤出及横锻.获得纳米结晶结构化钛合金材料,其特征在于：等通道转角挤压和滚压为连续非等温挤压和滚压。

上述本发明的方法，所说的等通道转角挤压、滚压，其工艺顺序可以按挤压、滚压的先后顺序进行，也可以先滚压、后挤压的顺序进行，它们也可以交替进行，但工艺应当是连续的，挤压和滚压各工艺段的温度不等同。足以使其深度的大塑性变形即可。

所述连续非等温，是指整个工艺过程中各工艺阶段采用的温度处理不一样，但整个流程是连续性的。

上述本发明的方法，进一步包括将纳米结构化钛合金进行连续高温、高压处理。所述高温如图6中的ECAP中的700-850℃；热模的温度200-300℃，所述高压是高净态压500-1200MPa，优先500-700MPa。

上述本发明的方法，进一步包括拉孔步骤。

上述本发明的方法，进一步，进一步包括钛合金的退火处理。

上述本发明的方法，其热模的温度控制在200-300℃之间，滚子的温度控制在20-50℃之间。

上述本发明的方法，所述纳米，其纳米的平均晶粒尺寸为40-70nm范围，优选40-60nm范围。

上述本发明的方法，所述等通道转角为90度直角，等通道转角挤压为多维度挤压，重复2-4次。等通道转角挤压优选为3维度挤压，优选重复3次。所述多维度挤压是指前后、左右、上下及扭转等各个方向全方位的深度剪切挤压。

所述纳米结构化钛合金材料为杆材。

本发明的方法，其基本过程是，首先应用等通道转角挤压(Equal-channelangular processing，ECAP)和滚压工艺处理，转角优选直角，ECAP挤压和滚压工艺不分先后，也可交替进行，使钛合金基材经历深度的大塑性变形；再经反复拉孔、拉伸、挤出及横锻步骤，以获得纳米尺度的晶体结构；进一步，包括对纳米结构晶体相的钛合金材料作连续高温如ECAP中的温度为700-850℃，和高压如500-1200MPa，优先500-700MPa处理，使其获得抗疲劳、抗断裂以及抗腐蚀能力，采用连续非等温ECAP-滚压(Continuous Non-isothermalECAP-rolling)技术，使钛合金达到超强变形。各热模入口直径以微尺度逐级缩小，如在每次通过时缩小0.002英寸(50.8μm)，热模的温度控制在200-300℃之间，滚子的温度则控制在20-50℃之间。其中，等通道转角挤压ECAP为多维度挤压，重复2-4次。等通道转角挤压优选为3维度(也可简称为3D)挤压，优选重复3次。

上述ECAP-滚压，可设多个ECAP锻造模子，由相应滚子所“馈联”，这些滚子通过冷却剂的供给维持着比正在受到ECAP处理的工件低得多的温度。在ECAP锻造模子外面的杆体节段，则发生相对的热膨胀，这种热膨胀会在ECAP模子出口处造成“背压”。这种限制力有利于材料内部精细结构的形成。

上述本发明的方法，所述挤压是在高静态压力如500-700MPa，最高能达到1200MPa下，使被加工钛合金材料受到可控数量的大量剪切变形，使材料获得显著的晶粒细化。

优选的，本发明的方法，采用热机械工艺的加工方案，如图6中，整个过程都涉及到高温，结果表明，这种热机械加工方案可使被加工材料内部结构实现更优的均一性。

例如，考察cp2级钛金属的纳米晶体化加工中的特性演进。Cp2级钛金属未作退火处理时，0.2％的屈服应变率以及极限屈服时的荷载强度分别高达500-600MPa与600-700MPa，且常伴随相当显著的(甚至是不可接受的)延展性能的丧失。但是，当这种钛金属作退火处理后，上述屈服应变可分别在276Mpa于345MPa时就达到。

另一方面，在极低温下对cp钛金属施加张力拉伸，一般不到10％即发生断裂，这当然是不可接受的。但是，当经过审慎的热处理，则可使这类钛金属的延展性达到可接受的水平；不过，这种结果不容易重复。因此，本发明的方法采取将ECAP加工与热机械加工复合起来的工艺可以使被加工钛合金材料实现更加优化的机械性能，如加工纳米结构化的cp 2级与4级钛金属、Ti-6Al-4V钛合金的杆状材料。结果表明，经过本发明所述工艺下的受控锻造处理，可使材料(直径8.6mm、长度为400mm的杆)沿长度方向以及横截面上获得更为均匀的内部结构，其特性变化在±5％以内。而且，对受控锻造处理后的cp2级钛金属，只要简单的退火处理，就可以提升15％以上的展延度，而其强度没有显著下降。因而，可以在实现常规cp钛金属的延展性能时，使其强度得到很大提升。cp2级与4级钛金属的性能改善，超过了常规医用的Ti-6Al-4V钛合金。cp2级钛金属的屈服强度与极端拉伸强度分别可达到1000MPa与1100MPa以上，cp4级钛金属的屈服强度与极端拉伸强度分别可达到1050MPa与1200MPa以上。这些前所未有的性能的改善，不仅可以增强cp钛金属装置的性能，而且在一些特定应用中用cp类钛金属来替换常规的Ti-6Al-4V钛合金。

上述本发明的方法，在一些实施方案中，还包括更多热处理-机械锻造(滚压、拉刀切削与挤出等)步骤，以适合Ti-6Al-4V与Ti-6Al-7Nb钛合金材料的纳米结构化加工，同时，对于Ti-6Al-4V钛合金，在最后一步的热机械工艺与机械锻造复合处理完成后，只要再作一次低温退火，就可以使其展延力与抗疲劳强度分别增大50％与10％。

上述本发明的方法，所得的钛合金晶粒尺寸约为30-70nm，优选40-60nm范围。

在优选实施方案中，本发明的制备纳米结构化钛合金材料的方法，按图6的工艺步骤和工艺参数，在转角挤压(ECAP)步骤I中，温度控制在700-850℃之间，滚压和/或拉刀切削步聚II的温度控制在200-400℃之间，拉伸挤出步骤III的温度控制在200-300℃之间，钛合金晶粒尺寸降低到40-60nm范围。采用90°角的ECAP模子。在步聚II与步骤III两阶段中多步骤的处理，每一个处理均会派生出非均一性的应变，合理搭配这些步骤的组合，组合优化来累积SPD变形量，能连续地造就晶粒细化结构形成，使被处理的钛合金材料会实现优化的均匀变形以及结构细化。

常规钛材是很难进行机械加工的金属之一，虽然近来的工业实践已经提出了许多加工方案，而且实现了很好的表面抛光能力。部分原因是由于钛合金的低弹性模量，所以需要更大刚性的设备。钛金属与钛合金相对低的热导性，则导致机械加工中温度的增加。克服这些问题所要采取的措施将导致机械加工成本的上升。这就造成了很大问题。本发明的方法解决了上述问题，可以明显改善和优化钛合金的机械加工性能，解决了钛合金材料变形难、可塑性较差的问题，同时，提高钛合金材料抗疲劳、抗断裂以及抗腐蚀能力。在获得更加优化的机械性能的同时不增长加工成本。

附图说明

图1连续等通道转角挤压法(ECAP)的大塑性变形处理工艺流程图。

图2给予可控步骤的热机械加工下20℃时的钛金属机械特性的演化。

图3 SPD工艺处理cp2级钛金属纳米结构化后的单轴拉伸应力-应变响应曲线。

图4 SPD工艺处理后的cp2级钛金属材料内部的TEM图像。

图5 Ti-6Al-4V钛合金纳米结构化加工后的拉伸应力与应变关系及其等轴拉伸应变微结构的TEM图像。

图6针对Ti-6Al-4V钛合金纳米结构加工的工艺流程图，图中，Np代表重复次数，％代表拉伸至失败的重复次数。

具体实施方式

以下实施例用以进一步说明和理解本发明的实质，但不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1连续非等温CEPT挤压cp2纳米钛合金材料的制备

按照图1的流程图，可多个ECAP锻造模子(优选3个)，压力为500-700MPa，由相应滚子所“馈联”，这些滚子通过冷却剂的供给维持着比正在受到ECAP处理的工件低得多的温度。热模温度控制在200-300℃，滚子的温度控制在20-50℃，在ECAP锻造模子外面的杆体节段，则发生相对的热膨胀，这种热膨胀会在ECAP模子出口处造成“背压”。这种限制力有利于材料内部精细结构的形成。将钛合金材料置入热模等通道，经过多维度全方位转角挤压，重复三次、再非等温滚子反复滚压、拉伸、挤出及横锻。根据检晶粒大小检测情况，可以或重复前述工艺流程2-4次，获得纳米结晶结构化钛合金材料，并作退火处理。

获得的纳米结晶结构化钛合金材料具有优异的机械特性，见图2，与只采用ECAP加工时相比，复合加工的屈服强度与极端拉伸强度增加了80％以上。图2中标注“RA”曲线表示面积下降，而标注“％”则指拉伸至失效。应当注意到，所指的加工步骤不是在室温环境下进行的，而是在200℃-850℃这个范围内实现的。此外，在几个步骤之间多次执行退火处理。事实上，温度的严格控制，对于实现内部纳米结构进而材料特性的改善是相当关键的；这些加工步骤本身，不会带来过多的成本。

获得的cp2纳米结晶结构化钛合金材料呈现极高的屈服强度(达1000MPa)，在极限强度(约1200MPa)下呈现一个平台，表明它的展延性能也得到提升，其材料硬度超过3.6GPa，见图3，表示的是cp2级钛金属纳米结构化后的单轴拉伸应力-应变响应曲线。

获得的cp2纳米结晶结构化钛合金材料,其纳米晶粒的尺寸在30nm≤d≤70nm范围，见图4。从图4中可见，这种材料拥有这类晶粒，且这些晶粒通常几乎没有位错，这与传统SPD工艺处理后的金属或合金的内部结构行为完全不同，而这恰恰是纳米结构化金属与合金材料的典型行为。晶粒结构没有位错，是材料表现出极高机械强度的重要原因。进一步，这些晶粒呈等轴行为，这赋予其纳米晶体的各向同性。

实施例2Ti-6Al-4V钛合金纳米结构加工

按参照实施例1的方法，加工Ti-6Al-4V钛合金，获得纳米结晶结构化钛合金杆材，并作退火处理。其中多维度全方位转角挤压，重复2-4次。

获得的纳米Ti-6Al-4V钛合金材料，与常规Ti-6Al-4V钛合金材料相比，加工后的材料特性确实得到了增强(见图5)。从图5可见，最大荷载处呈现平滑过程，这是一种材料拥有相对高应变率敏感性的典型标志，而高的应变率敏感度则归因于这种材料的高度展延性。容易看出，这种材料的屈服强度超1000MPa，而其极限拉伸强度接近1200MPa。其中插图是这种纳米结构材料的一个典型横截面图，其中的晶粒平均尺寸大约70nm。简单的退火处理就可以提升多达5～6％的展延能力，而不损其拉伸强度，实现其拉伸强度与展延性能的同时提升。

实施例3Ti-6Al-4V钛合金纳米结构加工

按照图6的工艺流程图和参数，将Ti-6Al-4V钛合金置入第I阶段的热模入口，进入等通道，经过3维度全方位转角挤压，温度控制700-850℃在循环(重复)2-4次，进入第II阶段的滚子滚压和拉孔，温度控制200-400℃、进入第III阶段的拉伸挤出，温度控制200-300℃，最后横锻整理，获得纳米结晶结构化钛合金杆材，并作退火处理。

在上述工艺中，可以采取对第II与第III两阶段的处理步骤的组合优化来累积SPD变形量，使能连续地造就晶粒细化结构形成。

获得的纳米Ti-6Al-4V钛合金材料，与实施例2的Ti-6Al-4V钛合金材料相比，在最后一步的热机械工艺与机械锻造复合处理完成后，只要再作一次低温退火，就可以使其展延力与抗疲劳强度分别增大50％与10％。Ti-6Al-4V钛合金纳米晶粒尺寸降低到40-60nm范围。明显改善材料抗疲劳性能。

Claims (10)

1.一种制备纳米结构化钛合金材料的方法，包括将钛合金材料经过等通道转角挤压、滚压，使其深度的大塑性变形,再经反复拉伸、挤出及横锻，获得纳米结晶结构化钛合金材料,其特征在于：等通道转角挤压和滚压为连续非等温度挤压和滚压。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括将纳米结构化钛合金材料进行连续高温、高压处理。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括拉孔处理步骤。

4.如权利要求1或3所述的方法，进一步包括退火处理。

5.如权利要求4所述的方法，其热模的温度控制在200-300℃之间，滚子的温度控制在20-50℃之间。

6.如权利要求1所述的方法，所述纳米，其纳米的平均晶粒尺寸为30-70nm范围。

7.如权利要求6所述的方法，所述纳米的平均晶粒尺寸为40-60nm范围。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述等通道转角为90度直角，等通道转角挤压为多维度挤压，重复2-4次。

9.如权利要求8所述的方法，所述多维度为3维度，重复3次。

10.如权利要求1所述的方法，所述纳米结构化钛合金材料为杆材。