CN108526235B - 一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法 - Google Patents

一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，该方法包括：一、将高强韧钛合金从包套的底部装入并镶嵌在包套内部，得到挤压坯料；二、将润滑剂均匀地涂抹在挤压坯料的表面，静置后用石墨纸包裹，放入等通道转角挤压模具中；三、在室温条件下对放入等通道转角挤压模具中的挤压坯料进行两道次冷挤压，然后取出，去除包套和石墨纸后得到挤压高强韧钛合金。该方法将高强韧合金装入包套内形成半包套结构并涂抹润滑剂，在室温下进行两道次等通道转角冷挤压，减少了冷挤压过程中的摩擦阻力，提高了高强韧合金的塑性变形能力，避免了高强韧钛合金在剪切过程中的剪切断裂现象，有利于研究高强韧钛合金在剪切作用下的服役状况。

Description

一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法。
背景技术
高强韧钛合金由于具有比强度高，断裂韧度好，淬透性高，热加工工艺性能和机加工性能优异等特点，满足了航空航天材料的高结构效益、高可靠性结构件的使用要求，是一类理想的金属结构材料。高强韧钛合金目前主要应用于航空和航天等领域需要高强度高韧性的承力构件部位，特别是航天飞行器、航空发动机以及高科技武器装备各类框梁承力构件、承力螺栓、高强度弹簧、航母弹射器以及汽车装甲的主要结构材料。近年来，随着航空工业及航天技术的快速发展，军用和民用飞机加速更替换代，高强韧钛合金发展呈现出高用量和更高性能的使用需求，而进一步提高高强钛合金的比强度和比刚度，可以实现航天飞行器和航空飞机更大的减重效果，对推进国防技术装备的升级更替具有重要的战略意义。
高强韧钛合金作为结构材料在服役过程中不仅承受常规拉伸和压缩塑形变形行为，而且在特殊服役环境下还需要承受剪切变形行为的影响，特别是在科学研究中剪切模式下高强韧钛合金微观组织结构演变规律、织构分析以及孪生与位错滑移协同的变形机制等方面的研究工作不易定量开展。目前，高压扭转强塑性变形技术也可以实现金属材料的剪切变形，但此方法存在制备试样尺寸较小且变形量不能定量化等缺点，对研究剪切模式下塑性变形机理存在较多的干扰因素。等通道转角挤压技术(ECAP)的工艺相对成熟，挤压速度和实验温度实现定量可控，避免了大多数干扰因素。但是，高强韧钛合金在室温条件由于变形抗力较大和等通道挤压过程中摩擦力较大易发生剪切断裂，如何改善高强韧钛合金的塑形性能和室温变形能力，分析研究其剪切变形条件下的服役状态，是当前高强韧钛合金工程化应用中亟待解决的科学问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法。该方法将高强韧合金装入包套内并涂抹润滑剂，在室温下进行两道次等通道转角冷挤压，减少了冷挤压过程中的摩擦阻力，提高了高强韧合金的塑性变形能力，避免了高强韧钛合金在剪切过程中的剪切断裂现象，有利于研究高强韧钛合金在剪切作用下的服役状况。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将高强韧钛合金从包套的底部装入并镶嵌在包套内部，得到挤压坯料；所述高强韧钛合金的抗拉强度大于1000MPa，断裂韧性不小于55MPa·m1/2；
步骤二、将润滑剂均匀涂抹在步骤一中得到的挤压坯料的表面，然后在空气中静置，再用石墨纸包裹，放入等通道转角挤压模具中；
步骤三、在室温条件下对步骤二中放入等通道转角挤压模具中的挤压坯料进行两道次冷挤压，然后取出，去除包套和石墨纸后得到挤压高强韧钛合金；所述两道次冷挤压均为匀速挤压。
上述的一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，步骤一中所述包套的材料为铝或铜。
上述的一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，步骤二中所述润滑剂由石墨乳和MoS2混合后磁力搅拌20min～40min制备得到，其中100ml所述石墨乳中添加5g～10g的MoS2。
上述的一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，所述石墨乳中石墨粉的质量含量为35％，石墨粉的粒径为2000目，所述MoS2的粒径为20nm～200nm。
上述的一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，步骤二中所述涂抹的次数为3次，涂抹的厚度不小于1mm。
上述的一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，步骤二中所述静置的时间为1h～3h。
上述的一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，步骤三中所述两道次冷挤压的路径为C路径。
上述的一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，步骤三中所述两道次冷挤压的挤压力均为800MPa～1800MPa，挤压速度均为0.2mm/s～1mm/s。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明将高强韧合金从包套的底部装入并镶嵌在包套内部，然后涂抹润滑剂，在室温下进行两道次等通道转角冷挤压，利用包套材料的延展性能和润滑剂、石墨纸的润滑性能减少了冷挤压过程中的摩擦阻力，提高了高强韧合金的塑性变形能力，避免了高强韧钛合金在剪切过程中的剪切断裂现象，实现了高强韧钛合金在室温条件下的等通道转角冷挤压，有利于研究高强韧钛合金在剪切作用下的服役状况。
2、本发明可根据等通道转角挤压所用模具的转角和转角弧度，设定挤压坯料头部的形状、包套的镶嵌结构和选择包套材料，进一步降低等通道转角冷挤压过程中的摩擦阻力，方便灵活，适应性强，且制备试样尺寸较大，挤压速度和变形程度等挤压参数可定量化分析，减少了研究高强钛合金剪切模式下塑性变形机理的干扰因素。
3、本发明的方法可应用于Ti-1300、Ti1023、TC21等多种常用的高强韧钛合金，应用范围广，实用性较强。
4、本发明的方法在室温下进行，工艺简单，方便易行且成本较低，适于推广。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1a是本发明实施例1～实施例3的挤压坯料的结构示意图。
图1b是图1a的A-A剖面图。
图2是本发明实施例1高强韧Ti-1300合金的SEM图。
图3是本发明实施例1高强韧Ti-1300合金经一道次等通道转角挤压后的形貌照片。
图4是本发明实施例1高强韧Ti-1300合金经两道次等通道转角挤压后的形貌照片。
图5是本发明实施例1高强韧Ti-1300合金经一道次等通道转角挤压后的SEM图。
图6是本发明实施例1高强韧Ti-1300合金经两道次等通道转角挤压后的SEM图。
附图标记说明
1—包套； 2—高强韧钛合金。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将固溶态的Ti-1300合金棒材从1060工业纯铝包套的底部装入并镶嵌在1060工业纯铝包套内部，得到头部为圆弧状的挤压坯料，如图1a和图1b所示；所述Ti-1300合金棒材的尺寸为：8.7mm×8.7mm×85mm，所述挤压坯料的尺寸为：12.7mm×12.7mm×90mm；所述Ti-1300合金棒材的室温屈服强度为1310MPa，抗拉强度为1370MPa，延伸率为17％，断裂韧性为55MPa·m1/2；
步骤二、将润滑剂均匀地涂抹在步骤一中得到的挤压坯料的表面，然后在空气中静置1h，再用石墨纸包裹，放入通道转角为90°，转角弧度为20°的等通道转角挤压模具中；所述润滑剂由石墨乳和MoS2混合后磁力搅拌30min制备得到，其中100ml所述石墨乳中添加5g的MoS2，所述石墨乳中石墨粉的质量含量为35％，石墨粉的粒径为2000目，所述MoS2的粒径为100nm；所述涂抹的次数为3次，涂抹的厚度为1mm；
步骤三、在室温条件下对步骤二中放入等通道转角挤压模具中的挤压坯料进行两道次冷挤压，然后取出，去除包套和石墨纸后得到挤压高强韧钛合金；所述两道次冷挤压均为匀速挤压；所述两道次冷挤压的路径为C路径，所述两道次冷挤压的挤压力均为850MPa，挤压速度均为0.2mm/s，每道次变形的应变量为1.05。
图2是本实施例高强韧Ti-1300合金的SEM图，从图2可以看出经固溶处理后的高强韧Ti-1300合金的显微组织主要由等轴β晶粒组成，平均晶粒尺寸在120μm左右，晶界光滑整齐，说明固溶处理后的高强韧Ti-1300合金已充分的完成再结晶过程。
图3是本实施例高强韧Ti-1300合金经一道次等通道转角挤压后的形貌照片，从图3可以看出本实施例高强韧Ti-1300合金经一道次等通道转角挤压后无裂纹产生，挤压坯表面存在明显的挤压流线的痕迹，说明1060工业纯铝包套表面在通道转角挤压过程中与模具内壁存在较大的摩擦阻力。
图4是本实施例高强韧Ti-1300合金经两道次等通道转角挤压后的形貌照片，从图4可以看出本实施例高强韧Ti-1300合金经两道次等通道转角挤压后表面比较粗糙，挤压试样头部出现剪切损伤，但1060工业纯铝包套内的高强韧钛合金挤压试样保留尺寸为8.7mm×8.7mm×50mm的弯曲的挤压试样，可用于一系列剪切变形模式下高强韧钛合金变形机理及组织特征演变等相关研究。
图5是本实施例高强韧Ti-1300合金经1道次等通道转角挤压后的SEM图，从图5可以看出本实施例高强韧Ti-1300合金经1道次等通道转角挤压后显微组织表现出极大的不均匀性，部分β晶粒内部滑移线密度较大，沿一定取向平行分布，而部分β晶粒内部滑移线密度较小，原始β晶界未发生变形和破碎，其晶粒尺度与未变形初始组织一样，说明高强韧Ti-1300合金经过一个道次的等通道挤压变形后的组织发生了不同程度的塑性变形，由于变形程度有限未能实现原始β晶界的破碎和细化组织。
图6是本实施例高强韧Ti-1300合金经2道次等通道转角挤压后的SEM图，从图6可以看出本实施例高强韧Ti-1300合金经2道次等通道转角挤压后显微组织呈现出沿挤压方向拉长的变形组织，β晶粒内部滑移线密度较大，且相互交错排列，显示出大量的剪切滑移带，但原始β晶界未完全破碎，此显微组织展现出明显的位错滑移特征，说明高强韧Ti-1300合金经过两个道次的等通道挤压变形后的组织中开动的滑移系增多，大量的位错条带相互交割。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将退火态的Ti-1300合金棒材从T2工业纯铜包套的底部装入并镶嵌在T2工业纯铜包套内部，得到头部为圆弧状的挤压坯料，如图1a和图1b所示；所述Ti-1300合金棒材的尺寸为：8.7mm×8.7mm×85mm，所述挤压坯料的尺寸为：12.7mm×12.7mm×90mm；所述Ti-1300合金棒材的室温屈服强度为1039MPa，抗拉强度为1078MPa，延伸率为20.5％，断裂韧性为72MPa·m1/2；
步骤二、将润滑剂均匀地涂抹在步骤一中得到的挤压坯料的表面，然后在空气中静置2h，再用石墨纸包裹，放入通道转角为90°，转角弧度为20°的等通道转角挤压模具中；所述润滑剂由石墨乳和MoS2混合后磁力搅拌20min制备得到，其中100ml所述石墨乳中添加8g的MoS2，所述石墨乳中石墨粉的质量含量为35％，石墨粉的粒径为2000目，所述MoS2的粒径为20nm；所述涂抹的次数为3次，涂抹的厚度为1.5mm；
步骤三、在室温条件下对步骤二中放入等通道转角挤压模具中的挤压坯料进行两道次冷挤压，然后取出，去除包套和石墨纸后得到挤压高强韧钛合金；所述两道次冷挤压均为匀速挤压；所述两道次冷挤压的路径为C路径，所述两道次冷挤压的挤压力均为800MPa，挤压速度均为0.3mm/s，每道次变形的应变量为1.05。
本实施例的经两道次等通道转角挤压后的Ti-1300合金挤压坯料整体保持完好，获得经两道次均匀剪切变形的Ti-1300合金棒材，包套内的高强韧钛合金挤压试样保留尺寸为8.7mm×8.7mm×50mm的弯曲的挤压试样，可用于一系列剪切变形模式下高强韧钛合金变形机理及组织特征演变等相关研究。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将退火态的Ti-1300合金棒材从1060工业纯铝包套的底部装入并镶嵌在1060工业纯铝包套内部，得到头部为圆弧状的挤压坯料，如图1a和图1b所示；所述Ti-1300合金棒材的尺寸为：8.7mm×8.7mm×85mm，所述挤压坯料的尺寸为：12.7mm×12.7mm×90mm；所述Ti-1300合金棒材的室温屈服强度为1039MPa，抗拉强度为1078MPa，延伸率为20.5％，断裂韧性为72MPa·m1/2；
步骤二、将润滑剂均匀地涂抹在步骤一中得到的挤压坯料的表面，然后在空气中静置3h，再用石墨纸包裹，放入通道转角为90°，转角弧度为20°的等通道转角挤压模具中；所述润滑剂由石墨乳和MoS2混合后磁力搅拌40min制备得到，其中100ml所述石墨乳中添加10g的MoS2，所述石墨乳中石墨粉的质量含量为35％，石墨粉的粒径为2000目，所述MoS2的粒径为200nm；所述涂抹的次数为3次，涂抹的厚度1.5mm；
步骤三、在室温条件下对步骤二中放入等通道转角挤压模具中的挤压坯料进行两道次冷挤压，然后取出，去除包套和石墨纸后得到挤压Ti-1300合金棒材；所述两道次冷挤压均为匀速挤压；所述两道次冷挤压的路径为C路径，所述两道次冷挤压的挤压力均为1800MPa，挤压速度均为1mm/s，每道次变形的应变量为1.05。
本实施例制备的经两道次等通道转角挤压后的Ti-1300合金挤压坯料表面保留大量的挤压痕迹，但整体保持完好，获得经两道次均匀剪切变形的Ti-1300合金棒材，包套内的高强韧钛合金挤压试样保留尺寸为8.7mm×8.7mm×65mm的弯曲的挤压试样，可用于一系列剪切变形模式下高强韧钛合金组织特征演变、变形行为及力学性能等相关研究。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将高强韧钛合金从包套的底部装入并镶嵌在包套内部，得到挤压坯料；所述高强韧钛合金的抗拉强度大于1000MPa，断裂韧性不小于55MPa·m1/2；
步骤二、将润滑剂均匀涂抹在步骤一中得到的挤压坯料的表面，然后在空气中静置，再用石墨纸包裹，放入等通道转角挤压模具中；
步骤三、在室温条件下对步骤二中放入等通道转角挤压模具中的挤压坯料进行两道次冷挤压，然后取出，去除包套和石墨纸后得到挤压高强韧钛合金；所述两道次冷挤压均为匀速挤压。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，步骤一中所述包套的材料为铝或铜。
3.根据权利要求1所述的一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，步骤二中所述润滑剂由石墨乳和MoS2混合后磁力搅拌20min～40min制备得到，其中100ml所述石墨乳中添加5g～10g的MoS2。
4.根据权利要求3所述的一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，所述石墨乳中石墨粉的质量含量为35％，石墨粉的粒径为2000目，所述MoS2的粒径为20nm～200nm。
5.根据权利要求1所述的一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，步骤二中所述涂抹的次数为3次，涂抹的厚度不小于1mm。
6.根据权利要求1所述的一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，步骤二中所述静置的时间为1h～3h。
7.根据权利要求1所述的一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，步骤三中所述两道次冷挤压的路径为C路径。
8.根据权利要求1所述的一种高强韧钛合金两道次等通道转角冷挤压的方法，其特征在于，步骤三中所述两道次冷挤压的挤压力均为800MPa～1800MPa，挤压速度均为0.2mm/s～1mm/s。
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