CN105772503A - 高强度纯钛的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明采用微加工、室温异步轧制的方法,提供了一种高强度纯钛及其制备方法,所得产品的显微组织的特征在于:其显微组织中的晶粒由两种不同粒度范围的晶粒组成,一种为常规的微米晶,一种为纳米晶;纳米晶的粒度范围是10‑200纳米,微米晶的粒度范围是0.5微米-5微米。本发明的钛板的强度相比常规钛板得到了较大提高。

Description

高强度纯钛的制备方法
技术领域
本发明涉及一种纯钛材料的制备方法,尤其是一种兼具高强度纯钛及其制备方法。
背景技术
钛合金是一种性能优异的金属材料,其比强度是所有金属中最高的,在航空航天、核反应堆中应用广泛。作为工程材料,人们通常期望高强度的材料,但是,得到高强度材料的同时,一般会损失材料的塑性;提高塑性的同时,则会损失材料的强度。二者是一对矛盾,一般不可兼得。本发明提供一种高强度纯钛的制备方法,该纯钛不仅强度高,而且具有较好的塑性。
中国专利CN104846363A提出了一种纳米结构纯钛板的制备方法,一种纳米结构纯钛板的制备方法,包括如下阶段:(1)钛粉粒子的选择:选择低氧、低氢的高纯钛粉粒子,钛粉粒子的粒径分布范围是5-200μm;(2)高速喷射沉积法制备纯钛板坯:将钛粉粒子加速,高速钛粉粒子与基板碰撞,使钛粉粒子发生强烈的塑性变形而沉积形成纯钛板坯;(3)板坯的热处理:将得到的纯钛板坯进行热处理;(4)热轧。该方法制备的金属钛板晶粒尺寸细小,为纳米晶,组织均匀,性能优异,克服了纯钛板强度低的缺点,硬度为普通纯钛板的2倍以上,同时继承了普通纯钛板优良的耐蚀性能、耐热性能和生物相容性等优点。本发明工艺简单、可控性好、生产效率高,有助于工业化应用。
中国专利CN102989766A提出了一种金属极薄带的轧制方法。操作方法为启动多功能轧机系统电源,开启主电机风机;顺时针摇动压下手柄,抬起辊缝;将带材原料缠绕在一侧卷筒上,引出末端经由该侧张力辊、工作辊缝和两外一侧张力辊后缠绕在另外一个卷筒上,缠绕2~3圈;开启张力电机,建立张力,通过调整自耦变压器电压值,给定轧件张力值;逆时针摇动压下手柄,压下辊缝;在人机界面上设定上下轧辊的速比;启动主传动电机,开始正辊缝轧制、零辊缝轧制和负辊缝轧制过程;重复轧制,直到轧件出口厚度满足要求。该发明采用若干道次的正辊缝及多道次负辊缝轧制,配合大张力异步轧制,能使厚度在亚微米级别的轧件继续减薄。
以上发明都致力于提高金属板材的性能。为了提高纯钛的强度,本发明给出了一种室温轧制的思路与方法。
发明内容:
发明目的:为了充分发挥纯钛的力学性能,本发明提供了一种同时大幅度提高纯钛强度的方法。
本发明的技术方案如下 :
采用在室温下微变形异步轧制的方法,制备一种高强度纯钛板材。本发明纯钛的优异的力学性能来源于其结构设计。根据本发明,可以制备一种不均匀的显微组织。其显微组织中的晶粒由两种不同粒度范围的晶粒组成,一种为常规的微米晶,一种为纳米晶;纳米晶的粒度范围是10-200纳米,微米晶的粒度范围是0.5微米-5微米。纳米晶的体积分数60%以上,微米晶的体积分数在40%以下,微米晶镶嵌在纳米晶中。
具体制备方法包括以下步骤:
1.选择纯钛材料:控制金属中氧含量小于0.1%;所有杂质元素少于0.5%;采用板材,厚度3-10毫米;
2. 启动多功能轧机系统,设定上下轧辊的速比,速比为 1.1-1.5;设定每次轧制形变量为1-8%;设定低速辊的速度为0.5-2米/秒;
3.启动主传动电机,开始轧制过程;
4.待一次轧制过后,重复(2)(3)过程15次以上;
5.进行重结晶退火热处理。重结晶温度为400到550摄氏度,时间3-20分钟。
有益的效果:采用本发明制备的纯钛材料,在取得高强度的同时,仍然可以保持优异的塑性。相对而言,全部由纳米晶构成的纯钛虽然也可以获得高强度,但是塑性极差,使用价值差,而且难于制备。而本发明制备的材料,不仅在制备方法上简单的多,塑性较高,而且在强度上也要优于纳米晶。其根源在于这种材料结构可以达到极大的背加工硬化,这是在均匀晶粒的材料或常规加工的材料中不存在的。此外,本发明采用室温轧制,比当前普遍采用的高温轧制更节约能源,成本低、适于大规模生产。本发明采用微加工,多道次,适于得到目标组织。
具体实施方式
下面通过结合附图与实施例详细描述本发明的制备方法,但不构成对本发明的限制。
图1为本发明的显微组织图,较大的为微米晶,分布在细小的纳米晶中。
实施例 1
1.选择纯钛板材,氧含量为0.08%;板材厚度3毫米;
3. 启动多功能轧机系统,设定上下轧辊的速比,速比为 1.1;设定每次轧制形变量为2%;设定低速辊的速度为0.5米/秒;
3.启动主传动电机,开始轧制;
4.待一次轧制过后,重复(2)(3)过程20次;
5.在470摄氏度进行重结晶退火热处理,时间3分钟。
金相显微分析结果显示,微米晶的平均晶粒大小为4.3微米,纳米晶的平均粒径为120纳米。
实施例 2
1.选择纯钛板材,氧含量为0.08%;板材厚度10毫米;
4. 启动多功能轧机系统,设定上下轧辊的速比,速比为 1.5;设定每次轧制形变量5%;设定低速辊的速度为0.8米/秒;
3.启动主传动电机,开始轧制;
4.待一次轧制过后,重复(2)(3)过程25次以上;
5.在490摄氏度进行重结晶退火热处理,时间8分钟。
金相显微分析结果显示,微米晶的平均晶粒大小为3.6微米,纳米晶的平均粒径为89纳米。
实施例 3
1.选择纯钛板材,氧含量为0.03%;板材厚度8毫米;
5. 启动多功能轧机系统,设定上下轧辊的速比,速比为 1.2;设定每次轧制形变量为3%;设定低速辊的速度为2米/秒;
3.启动主传动电机,开始轧制;
4.待一次轧制过后,重复(2)(3)过程28次;
5.在420摄氏度进行重结晶退火热处理,时间15分钟。
金相显微分析结果显示,微米晶的平均晶粒大小为4.6微米,纳米晶的平均粒径为149纳米。
采用室温拉伸试验,本发明实施例的产品性能与常规制造的钛合金的性能对比如下表:
实施例1 实施例2 实施例3 对比例(纯钛)
抗拉强度(MPa) 850 820 810 350-450
延伸率(%) 12 11 12 20~30
对比例为常规制造的纯钛的性能,为微米晶结构。可以看到,本发明材料的强度是微米晶的2倍以上,同时塑性仍然保持在较高的范围,材料没有变成脆性材料;而相对于纳米晶而言,本发明的材料的塑性大大优于纯纳米晶材料(一般塑性在5%以下)。
以上所述仅是本发明实施方式的一些例子,应当指出:对于本技术领域的技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高强度纯钛及其制备方法,其特征在于:其显微组织中的晶粒由两种不同粒度范围的晶粒组成,一种为常规的微米晶,一种为纳米晶;纳米晶的粒度范围是10-200纳米,微米晶的粒度范围是0.5微米-5微米。
2.如权利要求1所述的纯钛,其特征在于:其显微结构中纳米晶的体积分数60%以上,微米晶的体积分数在40%以下,微米晶镶嵌在纳米晶中。
3.如权利要求1所述的一种制备高强度纯钛材料,其特征在于,其制备方法包括以下步骤:
(1)选择纯钛板材:氧含量小于0.1%;所有杂质元素少于0.5%;采用板材,厚度3-10毫米;
(2)启动多功能轧机系统,设定上下轧辊的速比,速比为 1.1-1.5 ;设定每次轧制形变量为1-8%;设定低速辊的速度为0.5-2米/秒;
(3)启动主传动电机,开始轧制过程;
(4)待一次轧制过后,重复(2)(3)过程15次以上;
(5)进行重结晶退火热处理。
4.如权利要求3所述的纯钛材料轧制方法,其特征在于:重结晶温度为400到550摄氏度,时间3-20分钟。
5.如权利要求1所述的纯钛及其轧制方法,其特征在于:轧制温度为室温。
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