CN101219444A - 高强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法，本发明选用工业纯钛TA2热轧板材作为原料，退火后，将工业纯钛热轧板材切割成坯料，然后对坯料进行表面光洁处理，再给坯料和等径弯曲通道变形模具型腔内表面涂敷二硫化钼与石墨复合润滑剂，最后在室温下进行ECAP变形。本发明可提高工业纯钛的室温强度及其综合力学性能；在制备过程中，可利用较少的变形道次产生显著细化效果，获得高强度的工业纯钛块材。本方法与已有的工业纯钛块材等径弯曲通道变形制备方法相比，制备工艺及使用设备简单，操作方便，同时可降低成本。

Description

高强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法

技术领域

本发明涉高强度工业纯钛制备方法，特别涉及用等径弯曲通道变形(Equal Channel Angular Pressing，简称ECAP)在室温制备工业纯钛块材的方法。

背景技术

作为生物医用金属材料必须具备生物化学相容性和生物力学相容性。在此方面，钛及钛合金由于其优异的生物性能和力学性能一直是人们重点研究和应用的生物材料。

纯钛具有一定的抗拉强度(≥400MPa)和较高的塑性(≥25％)，以及优良的耐磨性和耐热性，同时兼有密度小的特点，且其弹性模量与人骨的相近。但纯钛材由于屈服强度低，以致不能满足生物医用材料的要求，从而使纯钛材的医学应用受到限制。而钛合金由于合金元素的加入，使其力学性能得到改善(加入Al、V可以提高其强度，加入Mo、Nb、Zr、Ta等元素可以使弹性模量更接近人骨)，从而使得钛合金现在成为主要的生物医用材料。研究发现，V、Al、Mo等合金元素在生物体内蓄积并产生慢性毒性，从而危害生物体的健康。而Nb、Zr、Ta等合金元素会使钛合金的密度增加，强度有所降低。且钛合金的生产工艺复杂。

研究表明，组织细化是提高金属强度及综合力学性能的最有效途径。当材料晶粒细化到纳米晶尺度时，不但综合机械性能会得到改善，而且物理化学特性也会发生重大变化。大塑性变形技术具有强烈的晶粒细化能力，可以直接将材料内部组织细化到亚微米乃至纳米级，已被材料科学界公认为是制备纳米和超细晶材料的最有前途的方法。等径弯曲通道变形是一种可直接获得块状亚微米晶或纳米晶材料的剧烈塑性变形方法。

经过对现有技术文献检索发现，S.L.Semiatin，V.M.Segal，R.E.Goforth等曾在《Metallurgicals and Materials Transactions》(30A(1999)1425-1435)上发表了一篇题为“Workability of Commerical-PurityTitanium and 4340 Steel during Equal Channel Angular Extrusion atCold-Working Temperatures”的论文，该文对纯钛和4340钢等难变形的金属进行了ECAP变形。在文献中所采用的模具通道夹角Φ＝90°，润滑剂是石墨基润滑剂，分别在25℃～325℃的温度下、采用0.002S^-1～2S^-1的应变速率对纯钛进行了ECAP变形，结果在室温(25℃)采用0.002S^-1～2S^-1间的任意一种应变速率进行ECAP变形都未能成功获得表面光滑的工业纯钛试样，所有变形试样在变形过程后皆被剪切为碎块；而该文作者在其它温度(125℃～325℃)尝试对纯钛进行ECAP变形，由于挤压温度、应变速率、润滑条件不适当等因素的影响，经ECAP变形后的纯钛也出现了不同程度的断裂，因而未能得到表面光滑的工业纯钛细晶材料。

在此之后，俄罗斯的Vladimir V.Stolyarov、美国的Yuntian T.Zhu等人在450℃～350℃对工业纯钛实施了ECAP变形，最终获得了表面光滑的块状细晶材料。由上海交通大学申请的申请号为：200510029663.7，申请日为：2005年9月15日，公开日为：2006年3月15日，发明名称为：微/纳米晶工业纯钛块材等径弯角挤压制备方法，该发明用等径弯角挤压制备工业纯钛块材，但其是在400℃～500℃对工业纯钛实施了ECAP变形的。用高温进行等径弯角挤压制备工业纯钛块材，尽管最终获得了表面光滑的块状细晶材料，但是由于采用高温ECAP变形时，将会产生回复和再结晶现象，影响晶粒细化效果，要达到所需强度，则必须进行更多道次的变形；且高温ECAP变形，所需制备设备相对比较复杂，操作亦相对比较复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种在室温下通过对工业纯钛坯料进行等径弯曲通道变形获得高强度工业纯钛块材的制备方法。用该方法制备高强度工业纯钛块材时，由于在室温下进行ECAP变形，故晶粒在细化时不会产生回复和再结晶软化现象，从而可使晶粒细化效果明显，只需很少道次就可获得高强度工业纯钛块材。且该方法使用设备简单，操作方便。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，它包括如下步骤：

①选用工业纯钛TA2热轧板材做为原料，热轧板材要进行退火；

②将退火后的工业纯钛TA2热轧板材切割成坯料，并对其表面进行打磨处理；

③在坯料表面涂敷润滑剂；

④在等径弯曲通道变形模具型腔内涂敷润滑剂；

⑤将表面涂敷润滑剂的坯料放入涂敷好润滑剂的等径弯曲通道变形模具通道内，然后在压力机或挤压机上对坯料进行室温等径弯曲通道变形挤压变形；

⑥挤压完成后，将变形试样放入退火炉进行退火；

⑦退火完成后，重复以上第③～⑥步，经2～8次B_C方式的等径弯曲通道挤压变形后，即可获得表面光滑的高强度工业纯钛。

上述采用的润滑剂是二硫化钼与石墨复合润滑剂，其组成为：MoS₂：10～20％；石墨：80～90％。

步骤①中，工业纯钛块材在650℃～750℃退火，保温1～2小时。

步骤②中，工业纯钛块材切割成方形断面坯料，坯料断面尺寸为15mm×15mm～50mm×50mm，长度尺寸为60mm～300mm；表面进行打磨处理，表面加工粗糙度Ra≤3.2μm。

所述等径弯曲通道变形采用的模具通道夹角为Φ＝100°～135°，外圆角Ψ＝10°～45°；

步骤③、④中坯料表面和模具型腔涂敷二硫化钼与石墨复合润滑剂是将二硫化钼和石墨粉混合均匀后，加入油性溶剂，调成糊状后涂敷的。

步骤③中将润滑剂涂敷到坯料表面，涂层厚度为0.05～0.1mm。

步骤④中在模具型腔内表面涂敷的润滑剂要均匀，涂层厚度为0.05～0.1mm。

步骤⑥中，所述退火温度为150℃～300℃。

步骤⑥中退火后保温1～2小时。

本发明的有益效果：

1.在室温下，通过多次ECAP变形，获得表面光滑的高强度工业纯钛块材；

2.在室温下进行ECAP变形，使用的工模具及设备简单，操作简便。

3.在室温下进行ECAP变形，晶粒在细化时不产生回复和再结晶软化现象，从而可使晶粒细化效果明显，只需很少道次就可获得高强度工业纯钛。

本发明得以实现的理论解释：

本发明采用等径弯曲通道变形挤压工艺在室温下制备高强度的工业纯钛材料，其特点是设备及制备工艺简单。挤压时采用二硫化钼与石墨复合润滑剂对变形试样和变形模具型腔进行处理，可有效控制变形时的摩擦，改善变形试样内的应力分布状况。在两次挤压之间采用中间退火，可有效消除ECAP变形试样中的残余应力，改善残余应力分布，从而保证变形试样在后续的挤压过程不被挤裂，并最终获得表面光滑的块状高强度工业纯钛试样。退火工艺制度的确定和二硫化钼与石墨复合润滑剂的使用保障了ECAP变形工艺的顺利进行，同时有效地保证强化效率，使得在较少的挤压道次下，获得高强度的表面光滑的工业纯钛试样。

具体实施方式

以下通过具体的实施对本发明的技术方案作进一步描述，同时将实施测试结果与俄罗斯的Vladimir V.Stolyarov等人的实验结果进行比较。

实施例1

本发明采用工业纯钛(TA2)热轧板材做为原料，将热轧板材在700℃退火，保温1小时，采用电火花线切割机将退火后的工业纯钛TA2热轧板切割成断面尺寸为15mm×15mm，长度为70mm坯料，并对其表面进行打磨处理，要求加工粗糙度Ra≤3.2μm。然后在坯料表面和通道夹角Φ＝120°，外圆角Ψ＝20°的ECAP变形模具的模具型腔(变形通道)内表面均匀涂敷二硫化钼与石墨复合润滑剂(10％二硫化钼和90％石墨)，将二硫化钼和石墨粉混合均匀后，加入油性溶剂，调成糊状后涂敷到坯料表面和ECAP变形模具的模具型腔内。涂层厚度以0.05～0.1mm为宜。将表面涂敷润滑剂的坯料放入涂敷好润滑剂的ECAP变形模具通道内。在挤压机上进行室温ECAP挤压变形。挤压完成后，将变形试样放入退火炉加热到200℃，保温1小时，随炉冷却。当试样温度降到室温时，对试样进行表面处理，并涂敷润滑剂，同时将变形试样沿其纵向对称轴逆时针旋转90°，并放入已涂敷好润滑油的ECAP变形模具中，对工业纯钛进行B_C方式的下一道次ECAP变形，通过挤压——退火——挤压这样的工艺流程进行变形，在ECAP变形4道次后，获得表面光滑的高强度工业纯钛，晶粒平均尺寸由初始的28μm可细化为0.25～0.3μm，屈服强度由初始退火态的390MPa提高到680MPa，抗拉强度由初始的475MPa提高到780MPa。

实施例2

本发明采用工业纯钛(TA2)热轧板材做为原料，将热轧板材在700℃退火，保温1小时，采用电火花线切割机将退火后的工业纯钛TA2热轧板切割成断面尺寸为25mm×25mm，长度为100mm坯料，并对其表面进行打磨处理，要求加工粗糙度Ra≤3.2μm。然后在坯料表面和通道夹角Φ＝135°，外圆角Ψ＝45°的ECAP变形模具的模具型腔(变形通道)内表面均匀涂敷二硫化钼+石墨复合润滑剂(20％二硫化钼和80％石墨)，将二硫化钼和石墨粉混合均匀后，加入油性溶剂，调成糊状后涂敷到坯料表面和ECAP变形模具的模具型腔内。涂层厚度以0.05～0.1mm为宜。将表面涂敷润滑剂的坯料放入涂敷好润滑剂的ECAP变形模具通道内。在压力机上进行室温ECAP挤压变形。挤压完成后，将变形试样放入退火炉加热到150℃，保温1小时，随炉冷却。当试样温度降到室温时，对试样进行表面处理，并涂敷润滑剂，同时将变形试样沿其纵向对称轴逆时针旋转90°，并放入已涂敷好润滑油的ECAP变形模具中，对工业纯钛进行B_C方式的下一道次ECAP变形，通过挤压——退火——挤压这样的工艺流程进行变形，在ECAP变形4道次后，获得表面光滑的高强度工业纯钛，晶粒平均尺寸由初始的28μm可细化为0.6μm以下，屈服强度由初始退火态的390MPa提高到590MPa，抗拉强度由初始的475MPa提高到730MPa。

实施例3

本发明采用工业纯钛(TA2)热轧板材做为原料，将热轧板材在700℃退火，保温1小时，采用电火花线切割机将退火后的工业纯钛TA2热轧板切割成断面尺寸为15mm×15mm，长度为70mm坯料，并对其表面进行打磨处理，要求加工粗糙度Ra≤3.2μm。然后在坯料表面和通道夹角Φ＝105°，外圆角Ψ＝10°的ECAP变形模具的模具型腔(变形通道)内表面均匀涂敷二硫化钼+石墨复合润滑剂(10％二硫化钼和90％石墨)，将二硫化钼和石墨粉混合均匀后，加入油性溶剂，调成糊状后涂敷到坯料表面和ECAP变形模具的模具型腔内。涂层厚度以0.05～0.1mm为宜。将表面涂敷润滑剂的坯料放入涂敷好润滑剂的ECAP变形模具通道内。在挤压机上进行室温ECAP挤压变形。挤压完成后，将变形试样放入退火炉加热到250℃，保温1小时，随炉冷却。当试样温度降到室温时，对试样进行表面处理，并涂敷润滑剂，同时将变形试样沿其纵向对称轴逆时针旋转90°，并放入已涂敷好润滑油的ECAP变形模具中，对工业纯钛进行B_C方式的下一道次ECAP变形，通过挤压——退火——挤压这样的工艺流程进行变形，在ECAP变形4道次后，获得表面光滑的高强度工业纯钛，晶粒平均尺寸由初始的28μm可细化为0.2μm以下，屈服强度由初始退火态的390MPa提高到720MPa，抗拉强度由初始的475MPa提高到810MPa。

实例比较分析：

本发明实施例1的ECAP变形一道次的平均真应变量为0.635，以B_C方式挤压变形4道次，累积应变量可达到2.47。获得的高强度工业纯钛晶粒平均尺寸由初始的28μm细化到0.3μm以下，从而使工业纯钛在常温下的强度及综合性能得到改善。

俄罗斯学者Vladimir V.Stolyarov和美国学者Yuntian T.Zhu在450℃～350℃采用通道夹角Φ＝90°的ECAP变形模具对工业纯钛进行ECAP变形，最终获得了高强度工业纯钛。本发明所得高强度工业纯钛性能与其对比结果如表1所示。

表1本发明获得的工业纯钛与俄罗斯学者获得的性能对比

试样		σ0.2(MPa)	σb(MPa)	δ(％)	HV(kgf/mm2)	晶粒尺寸(μm)
							本研究	原始试样	390	475	36.4	159	28
ECAP室温加工4道次试样	680	780	16.8	249	0.25～0.3
						俄罗斯		原始试样	380	460	27	\
ECAP温加工8道次试样	640	710	14	276

本发明所说的退火完成后采用B_C方式是指：两次挤压道次之间试样绕纵轴沿同一方向转动90°进行下一道次挤压。

Claims (9)

1.一种高强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法，其特征是：它包括如下步骤：

①选用工业纯钛TA2热轧板材做为原料，热轧板材要进行退火；

②将退火后的工业纯钛TA2热轧板材切割成坯料，并对其表面进行打磨处理；

③在坯料表面涂敷润滑剂；

④在等径弯曲通道变形模具型腔内涂敷润滑剂；

⑤将表面涂敷润滑剂的坯料放入涂敷好润滑剂的等径弯曲通道变形模具通道内，然后在压力机或挤压机上对坯料进行室温等径弯曲通道变形挤压变形；

⑥挤压完成后，将变形试样放入退火炉进行退火；

⑦退火完成后，重复以上第③～⑥步，经2～8次B_C方式的等径弯曲通道挤压变形后，即可获得表面光滑的高强度工业纯钛。

上述采用的润滑剂是二硫化钼与石墨复合润滑剂，其组成为：MoS₂：10～20％；石墨：80～90％。

2.根据权利要求1所述的高强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法，其特征是：步骤①中，工业纯钛块材在650℃～750℃退火，保温1～2小时。

3.根据权利要求1所述的高强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法，其特征是：步骤②中，工业纯钛块材切割成方形断面坯料，坯料断面尺寸为15mm×15mm～50mm×50mm，长度尺寸为60mm～300mm；表面进行打磨处理，表面加工粗糙度Ra≤3.2μm。

4.根据权利要求1所述的高强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法，其特征是：所述等径弯曲通道变形采用的模具通道夹角为Φ＝100°～135°，外圆角Ψ＝10°～45°；

5.根据权利要求1所述的高强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法，其特征是：步骤③、④中坯料表面和模具型腔涂敷二硫化钼与石墨复合润滑剂是将二硫化钼和石墨粉混合均匀后，加入油性溶剂，调成糊状后涂敷的。

6.根据权利要求5所述的高强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法，其特征是：步骤③中将润滑剂涂敷到坯料表面，涂层厚度为0.05～0.1mm。

7.根据权利要求5所述的高强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法，其特征是：步骤④中在模具型腔内表面涂敷的润滑剂要均匀，涂层厚度为0.05～0.1mm。

8.根据权利要求1所述的高强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法，其特征是：步骤⑥中，所述退火温度为150℃～300℃。

9.根据权利要求8所述的高强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法，其特征是：步骤⑥中退火后保温1～2小时。