CN110295334A

CN110295334A - 一种高强度高塑性多级结构工业纯钛的制备方法

Info

Publication number: CN110295334A
Application number: CN201910639864.0A
Authority: CN
Inventors: 徐腾飞; 王世颖; 王文昌; 吴敏娴; 陈智栋
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2019-10-01
Anticipated expiration: 2039-07-16
Also published as: CN110295334B

Abstract

本发明提供了一种高强度高塑性多级结构工业纯钛的制备方法。所述方法涉及将具有均匀粗晶微结构的工业纯钛在常温下进行轧制使总变形量达到至少70％，然后将工业纯钛放置在温度为430‑570℃的退火炉内真空退火10‑35分钟，待保温时间结束后立即取出，放置室温中冷却。通过该方法得到组织中同时具有纳米晶、超细晶及粗晶的多级结构。本发明通过对工业纯钛进行简单常温轧制结合短时退火处理，获得了具有高强度高塑性的多级结构工业纯钛，表现出优异的综合性能。

Description

一种高强度高塑性多级结构工业纯钛的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度高塑性多级结构工业纯钛的制备方法，属于材料加工工程领域。

背景技术

钛作为自然界中存在最广泛的金属，具有比强度高，耐蚀性好，生物相容性优良的特点而被广泛应用于航海、航空航天、工业等行业并占有重要地位。在一定程度上解决了许多工程技术难题，具有广阔的应用前景。随着航空航天及工业的快速发展，对纯钛的力学性能提出了更高的要求，而传统的粗晶纯钛由于其强度较低已很难满足要求，随着晶粒尺寸减小到纳米尺寸，纯钛的强度显著提高，但塑性又大量损失。所以，如何在提高其强度的同时，还使其保持优异的塑性成为纯钛性能调控方面的一大技术难题。

目前一个比较有效的方法是制备具有多级结构的材料，多级结构由于同时具有纳米晶和超细晶所提供的强度以及粗晶提供的塑性，故其具有良好的综合力学性能。目前主要通过直流电沉积技术实现晶粒沿着样品厚度的梯度变化，从外到内实现晶粒的多级结构，同时获得超强化和良好塑性，但该方法受到电沉积条件的制约。还可以借助各种塑性变形结合退火技术制备多尺度结构。先采用液氮低温变形方式使材料方式严重塑性变形进而积累高密度位错，从而提高其再结晶形核率，再通过后续退火中促进个别晶粒二次长大。但液氮低温轧制方式操作复杂，液氮冷却过程耗时较长，成本高，且液氮利用率低，在工业应用上具有一定的限制。且变形量通常需要达到90％以上，这又对塑性变形能力本就差的六方结构纯钛造成了在变形操作上的困难。在CN201610178632.6一种提高金属钛强度和拉伸塑性的制备方法中，是超细晶层片微结构的钛板中部分超细晶层片回复再结晶，必须采用异步轧制，操作复杂，并且在该退火条件下，需要80％以上的变形量才能保证其足够大的形变储能，保证其再结晶形核率。其变形量低就很难通过后续的退火形成具有高强度高塑性的钛材。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能够简便、低成本实现工业纯钛的严重塑性变形，进而制备高强度高塑性工业纯钛的方法。本发明主要是通过简单常温轧制结合短时退火方式得到高强度高塑性多级结构工业纯钛。

本发明的实施方案如下：

一种高强度高塑性多级结构工业纯钛的制备方法，通过所述制备方法获得的工业纯钛显微组织中同时存在三种不同晶粒度范围的晶粒，其中，纳米晶的粒度范围为5-100nm，超细晶的粒度范围为100-1000nm，粗晶的粒度范围为1-3μm。

所述制备方法具体包括多道次大累积压下量的常温轧制和短时间中等温度的退火两个步骤：

(1)常温轧制：将具有均匀粗晶微结构的工业纯钛在常温下进行轧制变形，轧辊转动的线速度为150-250mm/s，轧制方式采用同步轧制，单道次变形量≤5％，反复轧制至总变形量至少为70％；

(2)真空退火：将上述轧制后的工业纯钛进行真空退火处理，退火温度为430-570℃，保温时间为10-35分钟，使得步骤(1)中获得的工业纯钛组织发生改变以获得具有纳米晶、超细晶、粗晶三种晶粒尺寸分布的工业纯钛。

进一步，轧制总变形量为70％。

对于钛这种密排六方结构金属，变形难度大，为了要求其有较高的的再结晶形核率，需求其有较大的变形量。其中，影响再结晶形核率的一个重要因素就是形变储能，直观体现就是变形量。即为变形量越大，其形变储能越大，在后续退火过程中再结晶形核率越高，力学性能越好。变形量低的纯钛很难通过后续的退火形成具有高强度高塑性的多级结构。

但本发明中的变形量只要达到70％，就能获得高的再结晶形核率，得到预期的多级结构。该变形量是显著低于现有技术的，意味着试件中形变储能并不高，但通过本发明退火工艺的协同，使其在70％变形量下就能获得高的再结晶形核率。本发明的退火工艺是待炉温升至预设温度后，再把钛板放入，保证了最大的加热速度，其在再结晶阶段有足够的储能来形成大量的再结晶形核。避免了在常规退火随炉升温的过程中过长时间的回复过程而导致的再结晶阶段由于储能较低所导致的低的形核率。

进一步，在常温轧制前对工业纯钛进行处理：

原料的机加工：用线切割机将具有均匀粗晶微结构的工业纯钛加工成规格为长×宽×高为180mm×30mm×2.5mm的长方体；

预处理：在进行轧制前将机加工后的工业纯钛表面打磨平整，去除表面杂质及缺陷，然后在丙酮中超声清洗15-30分钟去除油污，最后用无水乙醇清洗至少3遍。

进一步，在退火炉温度加热至预设温度后才将工业纯钛放入，在保温时间结束后立即取出，放置室温中冷却。退火温度为430-570℃，保温时间为10-35分钟。

采用这种退火方式的原因是：对变形样品进行退火，会在退火过程中发生三个阶段，第一个是回复，第二个是再结晶，第三个是晶粒长大。回复过程通常会在较低温度下发生，当达到再结晶温度后，再结晶过程才会发生，形成再结晶晶粒后才会发生晶粒长大。本发明中，并非采取随炉升温进行退火，而是达到预设温度后将钛板放入，实现最高的加热速度，这样保证了足够的再结晶形核。而保温时间结束后立即取出是因为，减少晶粒长大的时间，因为如果采取常规的随炉冷却，再结晶晶粒会过度长大，而使最终得到的钛板不具有多级结构，即便具有多级结构，其结构也难以达到本发明的性能。

进一步，将所要退火的工业纯钛封装在石英管中并抽真空，保证其在退火过程中始终处于真空状态。

由于钛非常容易发生氧化，如果不采用真空退火，会使其在退火过程中发生强烈的氧化反应，从而在其表面形成氧化皮，会对性能产生不利的影响。

进一步，纳米晶的体积分数为10％-20％，超细晶的体积分数为60％-70％，粗晶的体积分数为10％-25％。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明采用常温轧制，再通过真空退火的方式得到具有多级结构的工业纯钛。其无需在液氮低温下进行轧制，易于实现，便于工业上大规模应用。并且本申请中实现的多尺度结构，是在室温下进行最简单的同步轧制，且变形量只要达到70％，再协同限定的退火方式即可获得预期的性能。并且本发明通过调节退火工艺和参数，可以获得不同尺寸分布的多级结构，即调控其纳米晶，超细晶，粗晶的比例，以使其获得预期的性能，进而获得所需要的不同服役要求的钛材。

(2)本发明的退火方式使得工业纯钛的变形量达到70％时即可，并且最终获得的工业纯钛具有优异的力学性能。这有效地避免了密排六方金属钛在变形上的困难，不会使材料发生开裂，保证了材料加工过程中的成功率，降低了成本，获得的多级结构工业纯钛具有优异的强度与塑性的组合。

附图说明

图1根据本发明实施例1制得的多级结构工业纯钛的透射电镜图。

图2根据本发明实施例1制得的多级结构工业纯钛的工程应力-应变拉伸曲线图。

图3根据本发明实施例2制得的多级结构工业纯钛的透射电镜图。

图4根据本发明实施例3制得的多级结构工业纯钛的透射电镜图。

具体实施方式

实施例1

步骤一、取具有均匀粗晶微结构的工业纯钛，利用线切割机将其切成规格为长×宽×高为180mm×30mm×2.5mm的长方体；

步骤二、将机加工后的工业纯钛在丙酮中超声清洗20分钟去除油污，然后将表面打磨平整以去除表面杂质及缺陷，再置于丙酮中超声清洗20分钟，最后用无水乙醇清洗3遍；

步骤三、将步骤二处理后的工业纯钛在常温下进行同步轧制，轧辊转动的线速度为200mm/s，单道次变形量≤5％，反复轧制至样品最终厚度为0.75mm，此时总变形量为70％；

步骤四、将步骤三轧制后的工业纯钛封装在石英管中并抽真空；

步骤五、将步骤四封装后的工业纯钛进行退火处理，待炉温升至500℃后放入样品，保温15分钟，待保温时间结束后取出放置在室温中冷却。

如图1所示，本实施例制备得到的工业纯钛具有多级结构，其中纳米晶占比20％，超细晶占比70％，粗晶占比10％(该体积比是通过Gatan公司的DigitalMicrograph(DM)——透射电镜数据采集和分析软件统计得出的，数据具有较高的准确性)。该多级结构工业纯钛的透射电镜图如图1所示；其具有优异的力学性能，其工程应力应变拉伸曲线图如图2所示，拉伸测试结果如表1所示。

实施例2

步骤二、将机加工后的工业纯钛在丙酮中超声清洗20分钟去除油污，然后将表面打磨平整去除表面杂质及缺陷，再置于丙酮中超声清洗20分钟，最后用无水乙醇清洗3遍；

步骤四、将步骤三轧制后的工业纯钛封装在石英管中并抽真空。

步骤五、将步骤四封装后的工业纯钛进行退火处理，待炉温升至500℃后放入样品，保温20分钟，待保温时间结束后取出放置在室温中冷却。

本实施例制备得到的工业纯钛具有多级结构，其中纳米晶占比17％，超细晶占比70％，粗晶占比13％。该多级结构工业纯钛的透射电镜图如图3所示；具有优异的力学性能，拉伸测试结果如表1所示。

实施例3

步骤五、将步骤四封装后的工业纯钛进行退火处理，待炉温升至500℃后放入样品，保温30分钟，待保温时间结束后取出放置在室温中冷却。

本实施例制备得到的工业纯钛具有多级结构，其中纳米晶占比10％，超细晶占比65％，粗晶占比25％；该多级结构工业纯钛的透射电镜图如图4所示；具有优异的力学性能，拉伸测试结果如表1所示。

实施例4

实施例4与实施例1相比，区别仅在于反复轧制后样品的最终变形量为80％，退火温度为480℃。

实施例4得到的工业纯钛具有多级结构，其中纳米晶占比14％，超细晶占比62％，粗晶占比24％，具有优异的强度与塑性的组合，其拉伸测试结果如表1所示。

实施例5

实施例5与实施例1相比，区别仅在于反复轧制后样品的最终变形量为90％，退火温度为480℃。

实施例5得到的工业纯钛具有多级结构，其中纳米晶占比15％，超细晶占比64％，粗晶占比21％，具有优异的强度与塑性的组合，其拉伸测试结果如表1所示。

对比实施例1：

与实施例1相比，区别仅在于：将步骤四封装后的工业纯钛直接放入加热炉中。随炉升温至500℃后保温15min，待保温时间结束后取出放置在室温中冷却。

对比实施例1得到的工业纯钛不具有多级结构，仅存在有超细晶及粗晶结构，该结构虽具有较高的塑性，但强度较低，其拉伸测试结果如表1所示。

以上所述实施例为本发明的具体实施方式做了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

表1实施例1、2、3所制备的工业纯钛与文献报道的工业纯钛力学性能对比

1.Yang D K,Hodgson P D,Wen C E.Simultaneously enhanced strength andductility of titanium via multimodal grain structure[J].Scripta Materialia,2010,63(9):941-944.

2.Gu Y,Ma A,Jiang J,et al.Simultaneously improving mechanicalproperties and corrosion resistance of pure Ti by continuous ECAP plus short-duration annealing[J].Materials Characterization,2018,138:38-47.

Claims

1.一种高强度高塑性多级结构工业纯钛的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括：

(1)常温轧制：将具有均匀粗晶微结构的工业纯钛在常温下进行多道次大累积压下量轧制，轧制方式采用同步轧制，轧辊转动的线速度为150-250mm/s，单道次变形量≤5％，反复轧制至总变形量至少为70％；

(2)真空退火：将上述轧制后的工业纯钛进行真空退火处理，使得步骤(1)中获得的工业纯钛的组织发生改变，以获得具有纳米晶、超细晶、粗晶三种晶粒尺寸分布的工业纯钛；其中，纳米晶的粒度范围为5-100nm，超细晶的粒度范围为100-1000nm，粗晶的粒度范围为1-3μm。

2.根据权利要求1所述的高强度高塑性多级结构工业纯钛的制备方法，其特征在于：在常温轧制前对工业纯钛进行处理，具体为：

预处理：将机加工后的工业纯钛表面打磨平整，去除表面杂质及缺陷，然后在丙酮中超声清洗15-30分钟去除油污，最后用无水乙醇清洗至少3遍。

3.根据权利要求1所述的高强度高塑性多级结构工业纯钛的制备方法，其特征在于：所述真空退火步骤中，先将退火炉温度加热至预设温度，然后将工业纯钛放入保温处理，在保温时间结束后立即取出，放置室温中冷却。

4.根据权利要求3所述的高强度高塑性多级结构工业纯钛的制备方法，其特征在于：所述真空退火温度设置在430-570℃之间。

5.根据权利要求3所述的高强度高塑性多级结构工业纯钛的制备方法，其特征在于：所述真空退火保温时间设置在10-35分钟之间。

6.根据权利要求1所述的高强度高塑形多级结构工业纯钛的制备方法，其特征在于：将轧制后所要退火的工业纯钛封装在石英管中并抽真空，保证其在退火过程中始终处于真空状态。

7.根据权利要求1所述的高强度高塑性多级结构工业纯钛的制备方法，其特征在于：三种不同粒度晶粒的体积百分比为：纳米晶的体积分数为10％-20％，超细晶的体积分数为60％-70％，粗晶的体积分数为10％-25％。