CN112522650A

CN112522650A - 一种高强高韧超细孪晶纯钛及其制备方法

Info

Publication number: CN112522650A
Application number: CN202011426896.1A
Authority: CN
Inventors: 黄崇湘; 王明赛; 王艳飞
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2021-03-19

Abstract

本发明公开了一种高强高韧超细孪晶纯钛及其制备方法。解决了现有的纯钛制备工艺复杂且不稳定，得到的纯钛微观结构不均匀，难以规模化生产能适用于生物医学外科植入人体的高强高韧性的纯钛的技术问题。本发明的高强高韧超细孪晶纯钛，其微观结构由等轴超细晶和晶内的纳米孪晶构成，超细晶的晶粒尺寸为0.1μm～4μm。本发明的高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，包括以下步骤：对初始钛棒材进行高应变量旋锻减径加工，得到冷变形组织高强度纯钛；再进行退火并控制晶粒尺寸，得到超细晶纯钛；对所得超细晶纯钛预变形处理得到超细孪晶纯钛。本发明所制备纯钛强度和韧性同时提高，且强韧性远高于粗晶纯钛，可替代钛合金在生物植入体、医疗仪器方面的应用。

Description

一种高强高韧超细孪晶纯钛及其制备方法

技术领域

本发明涉及先进结构材料和生物体外科植入型技术领域，具体涉及一种高强高韧超细孪晶纯钛材料及其制备方法。

背景技术

纯钛是最重要的医用结构材料之一，在生物医学领域极为重要。很多学者致力于克服纯钛屈服强度和耐磨性低的缺点，希望能得到高强高韧纯钛来提高其工程实际应用占比，从而充分发挥纯钛优异生物相容性的天然优势，甚至替代部分钛合金以减少成本和提高安全性。

目前，最有成效的是通过微观结构不均匀化来提高其强度，并保持相对高的均匀延伸率。武晓雷等人的研究论文“Heterogeneous lamella structure unites ultrafine-grain strength with coarse-grain ductility.PNAS,2015；14,14501–14505”和专利“ZL201910509215.9”均获得了一种再结晶晶粒镶嵌在拉长板条状变形晶粒间的不均匀结构纯钛，该纯钛具有粗晶的韧性和超细晶的强度。黄崇湘等人的专利“ZL201711173272”和专利“CN201910510364.7”通过简单的低应变量变形道次间退火制备得到细长纤维晶和等轴超细晶混合的不均匀结构，该纤维晶增韧高强度纯钛同样具有远高于粗晶纯钛的强韧性能。专利“CN201910639864.0”和专利“CN201610178632.6”等均通过制备不均匀微观结构获得了高强度高韧性的工业纯钛。从目前的研究来看，很少有其他同时提高纯钛强度和韧性的报道。

尽管目前的研究表明不均匀结构是纯钛增强增韧的主要手段，但这种方法也面临一些问题：

(1)结构本身的不均匀性会带来实际工程应用的不稳定因素，如热稳定性较差；

(2)不均匀结构具有一些功能性的缺点，比如耐蚀性低于均匀材料等。因此急需开发一种兼备均匀稳定结构和高强高韧性能的纯钛。发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的纯钛制备工艺复杂且不稳定，可控性差，得到的纯钛微观结构不均匀，难以规模化生产能适用于生物医学外科植入人体的高强高韧性的纯钛。

本发明提供了解决上述问题的一种高强高韧超细孪晶纯钛及其制备方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种高强高韧超细孪晶纯钛，该超细孪晶纯钛由等轴超细晶和等轴超细晶内的纳米孪晶构成，所述超细晶的晶粒尺寸为0.1μm～4μm。

优选地，所述超细晶的晶粒尺寸为0.5μm～4μm。

本发明优选的高强高韧超细孪晶纯钛，所述纳米孪晶的厚度为50nm～400nm。

优选地，所述纳米孪晶的厚度为100nm～200nm。

本发明优选的高强高韧超细孪晶纯钛，所述等轴超细晶中晶粒尺寸小于2μm的晶粒的体积分数大于50％，含纳米孪晶的超细晶的体积分数大于50％。

一种高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：对初始钛棒材进行高应变量旋锻减径加工，得到冷变形组织高强度纯钛；

步骤2：对步骤1所得的钛棒材进行退火并控制晶粒尺寸，得到超细晶纯钛；

步骤3：对步骤2所得的超细晶纯钛预变形处理得到超细孪晶纯钛。

本发明优选的高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，所述步骤1中所述高应变量旋锻的累积应变量≥3且<3.6，且每道次应变量>0.5且<1.5。

本发明优选的高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，所述步骤2中的退火为再结晶退火，退火温度范围为450℃～600℃，保温时间为1min～120min。

本发明优选的高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，所述步骤3中预变形处理的温度范围为-196℃～30℃。

本发明优选的高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，所述步骤3中预变形处理为拉伸预变形处理或轧制预变形处理。

本发明优选的高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，所述拉伸预变形处理的拉伸应变量为6％～15％，应变速率为0.5×10^-4s^-1～50×10^-4s^-1。

本发明优选的高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，所述轧制预变形处理的累积压下量为所述超细晶纯钛的总厚度的5％～15％，每道次轧制的压下量低于5％。

本发明制备的高强高韧超细孪晶纯钛，其力学特征在于，拉伸屈服强度为550MPa～680MPa，极限拉伸强度为600MPa～720MPa，拉伸均匀延伸率高于10％。

所述超细孪晶纯钛强度提高而拉伸均匀延伸率并无损失的原因在于：(1)相比于初始原材料，超细晶纯钛晶粒尺寸小、晶界密度高，能有效提高材料屈服强度；(2)预变形处理引入了大量的孪晶界和一定密度的位错，可进一步提高屈服强度；(3)晶粒内的纳米孪晶可以更好的累积和存储滑动位错，确保材料具有可观的延伸率。

与现有技术对比，本发明具有的优点和有益效果如下：

(1)本发明通过再结晶退火和定量预变形处理制备了独特的微观结构，冷变形过程和退火机制决定了再结晶不会大范围长大，预变形在超细晶内引入大量孪晶。

(2)本发明制备的超细结构和纳米孪晶界共同存在的微观结构既发挥了晶界强化机制和孪晶强化机制，亦发挥了孪晶的韧化机制，保证了超细孪晶纯钛的高强高韧性能。

(3)本发明制备的微结构均匀，可以克服不均匀结构而导致的纯钛耐蚀性差等缺点。

(4)本发明的制备工艺步骤简单、可控性强、稳定且适宜工业化生产大块体材料。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是实施案例1-3所制备的超细晶纯钛的背散射电子成像(BSE)照片。

图2是实施案例1所制备高强高韧超细孪晶纯钛透射电子显微镜(TEM)明场照片。

图3是实施案例2所制备高强高韧超细孪晶纯钛透射电子显微镜(TEM)明场照片。

图4是实施案例3所制备高强高韧超细孪晶纯钛透射电子显微镜(TEM)明场照片。

图5是实施例1-3中钛原材料及不同预处理所得纯钛材料的工程应力-应变曲线对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本发明实验所采用的钛原材料牌号为TA2，技术标准符合GB/T3620.1-2007。

实施例1

高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，具体的制备步骤流程如下：

选用直径40mm的纯钛棒材，经4-5道次旋锻处理得到直径8mm的纯钛棒材，每道次应变量>0.5且<1.5，总累积应变量约为3.22。

将步骤1所得直径8mm的纯钛棒材在真空管式炉中进行再结晶退火，退火温度为550℃，退火时间为30min。

步骤3：对步骤2所得的超细晶纯钛预变形处理得到超细孪晶纯钛；

将步骤2所得超细晶纯钛的钛棒在装备低温环境箱的拉力机上进行单轴拉伸加载，拉伸应变率为5×10^-4s^-1，温度为-196℃，将超细晶纯钛的钛棒加载至工程应变为15％时进行卸载，卸载应变率为1×10^-4s^-1，待完全卸载后取下样品。

冷变形组织高强度纯钛的微观结构特征为：晶粒沿棒材轴向呈拉长的板条状，晶内有高密度的位错。其力学特征为：屈服强度和抗拉强度分别为973.7MPa和1030.3MPa，均匀延伸率仅为2.1％，断后伸长率大于7.0％。

图1是本实施案例完成步骤2再结晶退火之后所得棒材侧面的背散射成像BSE照片，可以看到晶粒呈完全再结晶的等轴状，晶粒尺寸约为0.5μm～4μm。该超细晶纯钛的力学特征为：屈服强度为477MPa，抗拉强度为580MPa，均匀延伸率为18.5％。其强度是初始钛棒材的1.6倍，均匀延伸率是初始钛棒材的1.8倍。

图2是本实施案例完成步骤3低温拉伸预变形处理之后所得棒材侧面的TEM明场像照片，与图1对比，可以看到晶内有大量孪晶产生，孪晶片层厚度100nm～400nm之间，孪晶内有大量位错，晶内位错密度也有增加。

图5中的粗实线是本实施例所制备的高强高韧超细孪晶纯钛沿棒材轴向的拉伸工程应力-应变曲线，屈服强度为670MPa，抗拉强度为720MPa，均匀延伸率为10.3％，断后伸长率为25％。本实施例样品与初始钛棒材对比，均匀延伸率相近，屈服强度是初始钛棒材的2.09倍。

通过图1和图2的微结构对比以及结构变化之后的性能对比可以看出，本案例超细孪晶纯钛强度的提高来源于超细晶粒和变形孪晶，位错密度提高对强度提高也有影响。

实施例2

选用纯钛原材料牌号为TA2，技术标准符合GB/T3620.1-2007。

本实施例与实施例1的区别在于，单轴拉伸加载的温度为20℃，加载至工程应变为8％时进行卸载，其余步骤与实施例1完全相同。

图3是本实施案例完成步骤3室温拉伸预变形处理之后所得棒材侧面的TEM明场像照片，可以看到晶粒内分布有孪晶，孪晶密度低于低温预拉伸，并且与图2相比，孪晶内比较干净，并无位错塞积。

图5中的粗虚线是本实施例所制备的高强高韧超细孪晶纯钛沿棒材轴向的拉伸工程应力-应变曲线，屈服强度为611MPa，抗拉强度为640MPa，均匀延伸率为10.5％，断后伸长率为23％。

本实施例样品与初始材料对比，均匀延伸率相近，屈服强度初始材料的1.91倍。

实施例2与实施例1对比可以看到，当卸载时工程应变从15％减小到8％时，单轴拉伸加载的温度从-196℃升高到20℃，孪晶的密度降低，且位错密度大幅降低，对应得到的强度会有所下降，而均匀延伸率变化甚微。

实施例3

本实施例与实施例1的步骤1和步骤2完全相同，本实施例的后续步骤为：

步骤3：将步骤2所得直径8mm的钛棒切成横截面为6×2mm²的板材，板材长度方向与旋锻棒材长度方向平行。

步骤4：启动轧机，调节轧辊高度等于2mm，调节上下轧辊速度相等且≤50mm/s。

步骤5：多道次室温轧制；

将轧辊高度下调0.05mm，将板材进行2道次轧制；转换板材入料方向，将板材再进行2道次轧制。

步骤6：重复步骤5，其中轧制方向为板材长度方向且单一道次的应变量小于2％。直至得到厚度1.88mm的纯钛板材，累积压下量为6％。

图4是本实施案例完成步骤6所述轧制预变形之后所得棒材侧面的TEM明场像照片，微观结构与实施例2的微观结构无明显区别。

图5中的细虚线是本实施例所制备的高强高韧超细孪晶纯钛沿棒材轴向的拉伸工程应力-应变曲线，屈服强度为560MPa，抗拉强度为605MPa，均匀延伸率为10％，断后伸长率为26％。

与实施例2对比，本实施例的强度和拉伸塑性稍有降低。

本发明公开的高强高韧超细孪晶纯钛及其制备方法不限于生物医学外科植入体或医疗仪器用金属结构材料技术领域方面的应用，凡是将本发明所提供的一种高强高韧超细孪晶纯钛及其制备方法于任何领域、行业的应用都属于本专利保护范围。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高强高韧超细孪晶纯钛，其特征在于，该超细孪晶纯钛由等轴超细晶和等轴超细晶内的纳米孪晶构成，所述超细晶的晶粒尺寸为0.1μm～4μm。

2.根据权利要求1所述的高强高韧超细孪晶纯钛，其特征在于，所述纳米孪晶的厚度为50nm～400nm。

3.根据权利要求1或2所述的高强高韧超细孪晶纯钛，其特征在于，所述等轴超细晶中晶粒尺寸小于2μm的晶粒的体积分数大于50％，含纳米孪晶的超细晶的体积分数大于50％。

4.一种高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，其特征在于，制备权利要求1-3任一项所述的高强高韧超细孪晶纯钛，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所述高应变量旋锻的累积应变量≥3且<3.6。

6.根据权利要求4或5所述的高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的退火为再结晶退火，退火温度范围为450℃～600℃，保温时间为1min～120min。

7.根据权利要求4或5所述的高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，其特征在于，所述步骤3中预变形处理的温度范围为-196℃～30℃。

8.根据权利要求4或5所述的高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，其特征在于，所述步骤3中预变形处理为拉伸预变形处理或轧制预变形处理。

9.根据权利要求8所述的高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，其特征在于，所述拉伸预变形处理的拉伸应变量为6％～15％，应变速率为0.5×10^-4s^-1～50×10^-4s^-1。

10.根据权利要求8所述的高强高韧超细孪晶纯钛的制备方法，其特征在于，所述轧制预变形处理的累积压下量为所述超细晶纯钛的总厚度的5％～15％，每道次轧制的压下量低于5％。