CN113073214B - 一种稀土纳米高强钛及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稀土纳米高强钛的制备方法，首先在纯钛中添加稀土钇，在真空中熔炼，再经一次锻造，二次锻造，热处理，得到稀土纳米高强钛。本发明通过稀土细化铸态组织、稀土相强化高温性能、剧烈塑性变形等机理，有效结合了金属超细晶、纳米晶的优点，通过中低温快速大变形量锻造和低温退火工艺，成功地制备出亚微米、纳米晶尺度的稀土纳米高强钛材料。本发明工艺简单、投资少、效率高、效果好。

Description

一种稀土纳米高强钛及其制备方法

技术领域

本发明属于材料加工领域，具体涉及一种稀土纳米高强钛，特别地，还涉及该稀土纳米高强钛的制备方法。

背景技术

纯钛具有密度低、高比强度、高耐蚀性、优异生物相容性等特点，在化工、船舶、生物医疗等领域得到广泛的应用。但与钛合金以及其他常用的工程结构材料相比，例如汽车钢、模具钢、不锈钢等，纯钛的强度较低，仅有三百多兆帕，限制了应用领域。高合金化是纯钛强化的传统思路，但高合金化一方面大量提高材料成本，另一方面也使得合金的加工难度变大，综合成本大幅上升。纯钛强化的另一种思路是细晶强化，尤其是细化到纳米尺度，可以大幅强化金属的力学性能。剧烈塑性变形技术能显著细化金属晶粒，有效地将金属的晶粒细化到亚微米、纳米级别，故被认为是制备块体超细晶、纳米材料最有效的技术之一。但是，剧烈塑性变形技术追求高体积含量的纳米晶，需要对材料施加超大变形量，制备的样品尺寸小，对设备工装要求高，尚未在实际生产中推广。再者，纯钛除了用在常规室温工作环境，还会用于几百摄氏度的高温环境，剧烈塑性变形制备得到的高体积含量纳米晶容易回复长大，使材料性能大幅降低，导致失效。

因此，研发出设备工装要求较低的，制备强度高、耐热性好以及成本低的钛材料的制备工艺，有很大意义。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：纯钛的强度较低，限制了应用领域。纯钛强化的方式中，高合金化会导致材料成本大量提高，合金的加工难度变大，剧烈塑性变形技术对设备工装要求高，并且制备得到的高体积含量纳米晶高温下容易回复长大，使材料性能大幅降低，导致失效。稀土元素对钛及钛合金有一定的增益效果，一方面稀土元素能固溶到基体，对钛及钛合金起强化作用，另一方面稀土元素能净化熔体使钛夹杂的行为减少，同时稀土与熔体中的氧元素能形成氧化物颗粒，强化基体的蠕变性能。但是，也有研究表明较大尺寸的稀土相或稀土氧化物颗粒会成为疲劳源，大幅降低材料的疲劳性能。因此，有效细化钛及钛合金中稀土相及其氧化物颗粒是实现高温性能提高的关键要素。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种稀土纳米高强钛的制备方法，在纯钛中引入稀土钇(Y)强化元素，严格控制变形量而不追求过高的纳米相比例，对纯钛通过特殊锻造工艺进行大变形量的塑性变形以达到破碎稀土相、细化钛晶粒的目的。本发明实施例的方法能够制备得到纳米尺度的稀土相、钛晶粒，仅采用常规的设备工装即可以实现，极具工业化应用前景。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法，其中，包括如下步骤：

a、真空熔炼：在纯钛中添加钇，进行真空熔炼并加热保温；

b、一次锻造：将所述步骤a得到的铸锭进行一次锻造；

c、二次锻造：将所述步骤b得到的铸锭进行二次锻造；

d、将所述步骤c得到的铸锭进行热处理，得到稀土纳米高强钛。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法带来的优点和技术效果，1、本发明实施例的方法中，通过微量稀土钇元素的添加，在熔炼阶段有效地使纯钛更纯净化，同时钇元素在基体中形成钇固溶体或含钇相；一方面稀土钇纯净化能减少纯钛夹杂缺陷，另一方面稀土钇固溶在基体和形成稀土相析出都能对合金起到强化作用，大幅提高了纯钛的力学性能；2、本发明实施例的方法中，通过锻造处理，能够使纯钛铸态晶粒破碎，成为微米级别的晶粒，再次锻造可以有效细化基体纯钛晶粒至亚微米、纳米尺度，并且使得稀土相呈亚微米尺度均匀分布在纯钛细小的晶界之间，有效提高了基体的高温力学性能和疲劳、蠕变性能。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法，其中，所述步骤a中，所述钇占钛和钇总质量的0.01～0.49％。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法，其中，所述步骤a中，所述铸锭熔炼后的真空加热保温温度为500℃，时间为0.5～5h。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法，其中，所述步骤b中，一次锻造为，将所述步骤a中得到的铸锭升温至925～950℃，保温1～3h，之后出炉1～2火次完成换向三墩三拔锻造。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法，其中，所述步骤b中，每火次单向变形量大于50％。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法，其中，所述步骤c中，二次锻造为，将所述步骤b得到的铸锭在400～750℃下保温0.5～10h，之后出炉2～8火次完成换向六墩六拔锻造。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法，其中，所述步骤c中，每火次单向变形量不大于70％。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法，其中，所述步骤d中，所述退火处理的退火温度为200～500℃，退火时间为0.5～20h。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛，为采用本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法制得。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛带来的优点和技术效果，本发明实施例的稀土纳米高强钛中稀土元素可以固溶到基体，使钛得到强化，同时通过在中低温下大变形量的塑性变形，稀土纳米高强钛中的稀土相、钛晶粒变为亚微米、纳米尺度，使稀土纳米高强钛拥有了良好的高温力学性能和疲劳、蠕变性能。

附图说明

图1是实施例1的超细晶纯钛基体金相图；

图2是实施例1的钛纳米晶电镜图；

图3是实施例1的常规纯钛与稀土纳米化后的纯钛力学性能对比图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法，其中，包括如下步骤：

a、真空熔炼：在纯钛中添加钇，进行真空熔炼，随后加热保温；

b、一次锻造：将所述步骤a得到的铸锭进行一次锻造；

c、二次锻造：将所述步骤b得到的铸锭进行二次锻造；

d、将所述步骤c得到的铸锭进行热处理，得到稀土纳米高强钛。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法，1、通过微量稀土钇元素的添加，在熔炼阶段有效地使纯钛更纯净化，同时钇元素在基体中形成钇固溶体或含钇相；一方面稀土钇纯净化能减少纯钛夹杂缺陷，另一方面稀土钇固溶在基体和形成稀土相析出都能对合金起到强化作用，大幅提高纯钛的力学性能；2、通过锻造处理，能够使纯钛铸态晶粒破碎，成为微米级别的晶粒，再次锻造可以有效细化基体纯钛晶粒至亚微米、纳米尺度，并且使得稀土相呈亚微米尺度均匀分布在纯钛细小的晶界之间，有效提高了基体的高温力学性能和疲劳、蠕变性能。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法，其中，所述步骤a中，所述钇占钛和钇总质量的0.01～0.49％，所述真空保温温度为500℃，时间为0.5～5h。本发明实施例的方法中，通过在纯钛中加入微量的稀土元素钇，提高了纯钛的力学性能，如果钇的加入量过少会容易烧损难以起到强化作用，如果加入量过多会形成粗大的稀土相，降低合金性能。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法，其中，所述步骤b中，一次锻造为，将所述步骤a中得到的铸锭升温至925～950℃，保温1～3h，之后出炉1～2火次完成换向三墩三拔锻造，优选地，每火次单向变形量大于50％。本发明实施例的方法中，在一次锻造中采用每火次大于50％的单向变形量，能够有效促进晶粒变形，实现纳米级别的动态再结晶，如果每火次的单向变形量小于50％，变形量不足则难以获得纳米级别的晶粒。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法，其中，所述步骤c中，所述二次锻造为，将所述步骤b得到的铸锭在400～750℃下保温0.5～10h，之后出炉2～8火次完成换向六墩六拔锻造，优选地，每火次单向变形量不大于70％。本发明实施例的方法中，采用中低温的同时保持高变形量锻造，可以有效细化基体纯钛晶粒至亚微米、纳米尺度；同时，也能使得稀土相呈亚微米尺度均匀分布在纯钛细小的晶界之间，有效提高基体的高温力学性能和疲劳、蠕变性能。中低温锻造能够有效防止再结晶晶粒长大，使得更多的晶粒维持在纳米尺度，更有效地强化材料。本发明实施例的方法中，优选了每火次单向变形量不大于70％，如果每火次单向变形量大于70％，会引起动态再结晶组织异常长大。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛的制备方法，其中，所述步骤d中，所述退火处理的退火温度根据纯钛重量、体积、形状进行确定，进一步的，退火温度为200～500℃，退火时间为0.5～20h。本发明实施例的方法中，热处理可以在防止再结晶晶粒快速长大的前提下，消除应力。重量、体积较小的样品可以在低温下进行短时间热处理；重量、体积较大的样品可以在较高的温度下加长保温时间；形状较复杂容易变形的样品，可以采用中温短时间退火。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛，采用本发明实施例中稀土纳米高强钛的制备方法制得。

根据本发明实施例的稀土纳米高强钛，稀土纳米高强钛中稀土元素可以固溶到基体，使钛得到强化，同时通过在中低温下大变形量的塑性变形，稀土纳米高强钛中的稀土相、钛晶粒变为亚微米、纳米尺度，使稀土纳米高强钛拥有了良好的高温力学性能和疲劳、蠕变性能。

下面结合实施例详细描述本发明。

实施例1

在纯钛中有效添加稀土元素Y，Y占总质量的0.01wt％，通过真空自耗电弧炉进行熔炼，随后在500℃保温5小时。进行一次锻造：铸锭升温至925℃，保温3小时后出炉锻造，2火次完成换向三镦三拔，每火次单向变形量51％，得到一次铸锭。进行二次锻造，一次铸锭在750℃保温0.5小时，2火次完成换向六墩六拔锻造，每火次单向变形量70％，得到二次铸锭。二次铸锭冷却后在500℃退火0.5小时，得到稀土纳米高强钛材料。

如图1所示为本实施例制得的稀土纳米高强钛材料基体的超细晶纯钛基体金相图，稀土纳米高强钛材料基体的超细晶纯钛基体表现为数个微米级别的超细晶，如图2所示为超细晶纯钛基体电镜图，超细晶纯钛基体表现为分布于超细晶之间的50～200nm尺度的纳米晶。

本实施例制得稀土纳米高强钛材料基体是如图1所示的数个微米级别的超细晶和如图2所示的分布于超细晶之间的50～200nm尺度的纳米晶。如图3所示为常规纯钛与稀土纳米化后的纯钛力学性能对比图，本发明实施例制得的稀土纳米高强钛材料室温抗拉强度达到800MPa，远远高于国标常规TA1、TA2纯钛300MPa数量级的抗拉强度。

实施例2

在纯钛中有效添加稀土元素Y，Y占总质量的0.01wt％，通过真空自耗电弧炉进行熔炼，随后在500℃保温5小时。进行一次锻造：铸锭升温至950℃，保温1小时后出炉锻造，1火次完成换向三镦三拔，每火次单向变形量60％，得到一次铸锭。进行二次锻造，一次铸锭在750℃保温0.5小时，2火次完成换向六墩六拔锻造，每火次单向变形量50％，得到二次铸锭。二次铸锭冷却后在200℃退火20小时。得到稀土纳米高强钛材料。

本发明实施例经过稀土纳米强韧化后钛的室温抗拉强度为700MPa，比国标常规纯钛300MPa提高一倍以上。

实施例3

在纯钛中有效添加稀土元素Y，Y占总量的0.2wt％，通过真空自耗电弧炉进行熔炼，随后在500℃保温3小时。进行一次锻造：铸锭升温至935℃，保温2小时后出炉锻造，1火次完成换向三镦三拔，每火次单向变形量65％，得到一次铸锭。进行二次锻造，一次铸锭在700℃保温3小时，3火次完成换向六墩六拔锻造，每火次单向变形量45％，得到二次铸锭。二次铸锭冷却后在300℃退火10小时。得到稀土纳米高强钛材料。

本实施例经过稀土纳米强韧化后钛的室温抗拉强度为550Mpa，比国标常规纯钛300MPa提高200MPa以上。

对比例1

与实施例1方法相同，其区别在于，稀土元素Y占总量的0.6wt％。对比例1制得的稀土纳米高强钛材料的抗拉强度约为380MPa。

对比例2

与实施例1方法相同，其区别在于，不添加稀土元素Y。对比例2制得的稀土纳米高强钛材料的抗拉强度约为420MPa。

对比例3

与实施例1的方法相同，其区别在于，一次锻造时的每火次单向变形量为45％。对比例3制得的稀土纳米高强钛材料的抗拉强度约为710MPa。

对比例4

与实施例1的方法相同，其区别在于，二次锻造时的每火次单向变形量75％。对比例4制得的稀土纳米高强钛材料的抗拉强度约为410MPa。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种稀土纳米高强钛的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、真空熔炼：在纯钛中添加钇，进行真空熔炼，并随后进行加热保温，所述加热保温温度为500℃，时间为0.5~5h，其中，所述钇占钛和钇总质量的0.01%；

b、一次锻造：将所述步骤a得到的铸锭进行一次锻造，其中，一次锻造为，将所述步骤a中得到的铸锭升温至925~950℃，保温1~3h，之后出炉1~2火次完成换向三墩三拔锻造，每火次单向变形量大于50%；

c、二次锻造：将所述步骤b得到的铸锭进行二次锻造，其中，二次锻造为，将所述步骤b得到的铸锭在400~750℃下保温0.5~10 h，之后出炉2~8火次完成换向六墩六拔锻造，每火次单向变形量不大于70%；

d、将所述步骤c得到的铸锭进行热处理，退火处理的退火温度为200~500℃，退火时间为0.5~20h，得到稀土纳米高强钛。

2.一种稀土纳米高强钛，其特征在于，采用权利要求1所述的方法制得。

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