一种调控亚稳β钛合金力学性能的方法
阅读：1发布：2021-01-05
专利汇可以提供一种调控亚稳β钛合金力学性能的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种调控亚稳β 钛 合金 力 学性能的方法，该方法是将亚稳β钛合金材料切割成板材，并去除表面 氧 化层，得到亚稳β钛合金板材；将所述亚稳β钛合金板材进行 深冷处理 ；经过深冷处理后的亚稳β钛合金板材进行预 变形 加工；将预变形加工后的亚稳β钛合金置于空气中恢复至室温，即得含有孪生组织的亚稳钛合金。该方法通过深冷处理中的 温度 效应与加工过程中的 应力 作用，共同实现亚稳钛合金微观组织的调控，在合金中诱发大量孪生组织。这种孪晶组织对合金的强度与塑性有明显的提升作用，实现亚稳β钛合金强韧化。，下面是一种调控亚稳β钛合金力学性能的方法专利的具体信息内容。
1.一种调控亚稳β钛合金力学性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将亚稳β钛合金材料切割成板材，并去除表面氧化层，得到亚稳β钛合金板材；
2)将所述亚稳β钛合金板材进行深冷处理；
3)经过深冷处理后的亚稳β钛合金板材进行预变形加工；
4)将预变形加工后的亚稳β钛合金置于空气中恢复至室温，即得含有孪生组织的亚稳钛合金。
2.根据权利要求1所述的一种调控亚稳β钛合金力学性能的方法，其特征在于：
所述亚稳β钛合金中合金元素钼当量在10～25范围内；
所述亚稳β钛合金包含质量百分数低于0.4％的微量杂质氧元素。
3.根据权利要求1或2所述的一种调控亚稳β钛合金力学性能的方法，其特征在于：所述深冷处理的条件为：温度为77K～273K，时间为1min～60min。
4.根据权利要求3所述的一种调控亚稳β钛合金力学性能的方法，其特征在于：所述深冷处理的条件为：温度为77K～200K，时间为15min～40min。
5.根据权利要求1或2所述的一种调控亚稳β钛合金力学性能的方法，其特征在于：所述预变形加工的条件为：道次变形量为1％～5％，轧制总变形量为1％～35％，道次间恢复温度为77K～293K。
6.根据权利要求5所述的一种调控亚稳β钛合金力学性能的方法，其特征在于：所述预变形加工的条件为：道次变形量为3％～5％，轧制总变形量为3％～15％，道次间恢复温度为77K～200K。
7.根据权利要求6所述的一种调控亚稳β钛合金力学性能的方法，其特征在于：所述预变形加工过程中道次间恢复温度不高于深冷处理过程中的温度。
一种调控亚稳β钛合金力学性能的方法
技术领域
背景技术
[0002] 亚稳β钛合金具有良好的热处理响应、焊接性能、优良的力学性能和加工性 能，在航空航天飞行器等高科技领域与能源、船舰、汽车等国民经济领域获得了 越来越多的应用。此外，亚稳β钛合金还具有较低的弹性模量、优异的耐蚀性、 良好的生物相容性及形状记忆效应等，被认为是一种具有广泛应用前景的生物医 用材料。对于体心立方结构的亚稳β钛合金，大变形是一种最常见的实现其力学 性能优化的方法。例如：Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金(TNTZO，同时也被称为 橡胶合金)，经过90％面所率的冷旋锻加工后，合金抗拉强度从约900MPa提高 到1100MPa，弹性模量降至55GPa，具有非线性和约2.5％的超弹性，同时表现 出Invar和Elinvar等优异的性能。沈阳金属所杨锐等人通过较大的热变形(棒材 直径从280mm加工至12mm)后使得亚稳β钛合金Ti2448获得其一系列优异的 力学性能。
[0003] 此外，科研工作者还采用热处理、等径角挤压等方法对亚稳β钛合金进行强 韧化。北京航空航天大学赵新青等人在β相区或α+β双相区对亚稳Ti-10V- 2Fe-3Al合金进行热处理，合金中形成硬脆ω相，合金强度得到大幅提升，但其 延伸率明显下降。上海交通大学吕维洁等人通过ECAP加工诱发Ti-35Nb-2Ta-3Zr 合金马氏体相变，进一步提升了的抗拉强度(534MPa升至765MPa)，同时合 金仍保持16％的延伸率。
[0004] 上述调控亚稳β钛合金力学性能的方法多集中在热作用(热处理)、力的作用 (变形加工)以及两者的结合来调控合金性能，而关于通过深冷处理与变形加工相 结合的方法来实现亚稳β钛合金力学性能调控的研究较为缺乏。
[0005] 此外，上述调控亚稳β钛合金力学性能的方法虽各有优点，但仍存在较多问 题亟待解决：
[0006] 1.经大变形后，亚稳β钛合金试件尺寸较小(以TNTZO为例：大变形后合 金棒材直径约5mm)，极大地限制了其在汽车、医疗器械、运动产品等领域的应 用。
[0007] 2.热处理的方法可以单一地提高亚稳β钛合金的强度或者塑性，但无法满足 高强度与高韧性兼具的要求。
[0008] 3.由于ECAP模具尺寸的限制，获得的金属坯料形状和尺寸也非常有限。
发明内容
[0009] 针对现有技术中亚稳β钛合金经过大变形后所得亚稳β钛合金试件尺寸较小 (以TNTZO为例：大变形后合金棒材直径约5mm)，应用受到限制，且热处理 无法满足高强度与高韧性兼具的要求，以及ECAP加工后获得的金属坯料形状和 尺寸有限等问题，本发明的目的是在于提供一种利用深冷处理与预变形组合工艺 加工亚稳β钛合金的方法，该方法通过温度效应与应力耦合作用来实现亚稳β 钛合金力学性能的调控，通过在亚稳β钛合金中诱发大量孪生组织，从而实现其 强韧化。
[0010] 为了实现上述技术目的，本发明提供了一种调控亚稳β钛合金力学性能的方 法，其包括以下步骤：
[0012] 2)将所述亚稳β钛合金板材进行深冷处理；
[0013] 3)经过深冷处理后的亚稳β钛合金板材进行预变形加工；
[0014] 4)将预变形加工后的亚稳β钛合金置于空气中恢复至室温，即得含有孪生 组织的亚稳钛合金。
[0015] 优选的方案，所述亚稳β钛合金中合金元素钼当量在10～25范围内。
[0016] 优选的方案，所述亚稳β钛合金包含质量百分数低于0.4％的微量杂质氧元 素。
[0017] 优选的方案，所述深冷处理的条件为：温度为77K～273K，时间为1min～ 60min。较优选的方案，所述深冷处理的条件为：温度为77K～200k，时间为 15min～40min。在优选的深冷处理条件下能够在不调整合金成分的前提下进一 步降低亚稳β钛合金中β相稳定性，增大合金中发生相变及诱发孪生组织的可能 性。过高的深冷处理温度会使合金中β相稳定性增强，从而无法诱发增强增韧组 织。过短的保温时间不足以使合金内部温度达到均匀，将会导致合金中β相稳定 性不一致。
[0018] 优选的方案，所述预变形加工的条件为：道次变形量为1％～5％，轧制总变 形量为1％～35％，道次间恢复温度为77K～273K。较优选的方案，所述预变形 加工的条件为：道次变形量为3％～5％，轧制总变形量为3％～15％，道次间恢复 温度为77K～200K。在优选的变形加工条件下，对加工试样外形尺寸改变幅度较 小，可以获得较大尺寸的合金试样。此外，加工过程中的应力作用可以诱发合金 中形成可以增强增韧的孪生组织。道次间恢复温度的作用主要是消除因加工引起 的热效应，将试样保持在深冷处理的低温状态。过高的轧制变形量将会导致合金 外形尺寸变化较大，限制其应用。
[0019] 优选的方案，所述预变形加工过程中道次间恢复温度不高于深冷处理过程中 的温度。
[0020] 本发明的技术方案关键在于利用深冷处理进一步降低亚稳β钛合金的β相稳 定性，增大合金中发生相变或诱发孪晶的可能性；随即运用预变形加工所施加的 应力作用诱发合金中形成大量孪生组织；然后通过孪生组织达到细化晶粒与孪生 增塑的目的，最终得到强度与延伸率综合性能优异的的亚稳β钛合金。与现有技 术中类似的工艺相比，具有以下明显优势：
[0021] (1)工艺步骤包括深冷处理与应力作用调控亚稳β钛合金力学性能，较为 完整且易于实现。
[0022] (2)可以有效地控制亚稳β钛合金外形尺寸变化，获得较大尺寸的合金试 样。
[0023] (3)可以有效地通过深冷处理温度与加工变形量控制亚稳β钛合金中孪生 组织的密度，进一步实现调控亚稳β钛合金力学性能的目的。
[0025] 图1是本发明实施例1中所使用原料的组织形貌。
[0026] 图2是本发明实施例1中所使用原料的组织力学性能。
[0027] 图3是本发明实施例1中低温预变形(3.2％)后亚稳β钛合金组织。
[0028] 图4是本发明实施例1中低温预变形(3.2％)后亚稳β钛合金力学性能。
[0029] 图5是本发明实施例5中室温预变形(4.5％)后亚稳β钛合金组织。图6是本发明实施例5中室温预变形(4.5％)后亚稳β钛合金力学性能。
具体实施方式
[0031] 除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的 含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨 在限制本发明的保护范围。
[0032] 除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可 通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
[0033] 实施例1
[0034] 本发明的亚稳β钛合金力学性能的调控方法，包括以下步骤：
[0035] (1)以Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O棒材为原料，其[Mo]当量为11.41。合金中除少 量不可避免的杂质氧元素，原料中不含其他金属杂质元素；运用电火花线切割将 Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O棒材切割为适合轧制的板材，并去除表面氧化层。其尺寸 约为60mm×10mm×2mm。
[0036] (2)将步骤(1)中表面干净的Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材放置于深冷保 温箱中，进行深冷处理，深冷保温箱内温度由液氮进行维持。深冷处理工艺为温 度控制为77K，保温时间控制为30min；
[0037] (3)将步骤(2)中深冷处理后的制得的Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材从深 冷保温箱取出后，立即进行轧制预变形，其道次变形量约为1％，总变形量为3.5％， 道次间需放回深冷保温箱进行温度恢复，恢复温度为200K，时间控制为5min。 预变形后将合金板材放置于空气中，使其恢复至室温，得到预变形后 Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材；
[0038] 通过组织观察法对本实施例产品进行测试，本实施例亚稳β钛合金深冷处理 与预变形后组织如图3所示，与处理前组织(图1)相比可知，本实施例对亚稳 β钛合金组织进行了有效的调控，合金板材中含有大量孪生组织的。由图4可见， 本发明调控后的亚稳β钛合金性能良好，经检测，本材料的抗拉强度：907MPa， 延伸率16.5％。其强度与处理前合金板材(抗拉强度：825MPa，延伸率：10％) 高出10％，延伸率高出65％。
[0039] 实施例2
[0040] 本发明的亚稳β钛合金力学性能的调控方法，包括以下步骤：
[0041] (1)以Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O棒材为原料，其[Mo]当量为11.41。合金中除少 量不可避免的杂质氧元素，原料中不含其他金属杂质元素；运用电火花线切割将 Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O棒材切割为适合轧制的板材，并去除表面氧化层。其尺寸 约为60mm×10mm×2mm。
[0042] (2)将步骤(1)中表面干净的Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材放置于深冷保 温箱中，进行深冷处理，深冷保温箱内温度由液氮进行维持。深冷处理工艺为温 度控制为77K，保温时间控制为30min；
[0043] (3)将步骤(2)中深冷处理后的制得的Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材从深 冷保温箱取出后，立即进行轧制预变形，其道次变形量约为2％，总变形量为6.5％， 道次间需放回深冷保温箱进行温度恢复，恢复温度为200K，时间控制为5min。 预变形后将合金板材放置于空气中，使其恢复至室温，得到预变形后 Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材；
[0044] 通过组织观察法对本实施例产品进行测试，本发明调控工艺最终得到了含有 大量孪生组织的亚稳β钛合金板材。经检测，本材料的抗拉强度：910MPa，延 伸率18％。
[0045] 实施例3
[0046] 本发明的亚稳β钛合金力学性能的调控方法，包括以下步骤：
[0047] (1)以Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O棒材为原料，其[Mo]当量为11.41。合金中除少 量不可避免的杂质氧元素，原料中不含其他金属杂质元素；运用电火花线切割将 Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O棒材切割为适合轧制的板材，并去除表面氧化层。其尺寸 约为60mm×10mm×2mm。
[0048] (2)将步骤(1)中表面干净的Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材放置于深冷保 温箱中，进行深冷处理，深冷保温箱内温度由液氮进行维持。深冷处理工艺为温 度控制为77K，保温时间控制为30min；
[0049] (3)将步骤(2)中深冷处理后的制得的Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材从深 冷保温箱取出后，立即进行轧制预变形，其道次变形量约为3％，总变形量为9％， 道次间需放回深冷保温箱进行温度恢复，恢复温度为77K，时间控制为5min。 预变形后将合金板材放置于空气中，使其恢复至室温，得到预变形后 Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材；
[0050] 通过组织观察法对本实施例产品进行测试，本发明调控工艺最终得到了含有 大量孪生组织的亚稳β钛合金板材。经检测，本材料的抗拉强度：920MPa，延 伸率15％。
[0051] 实施例4
[0052] 本发明的亚稳β钛合金力学性能的调控方法，包括以下步骤：
[0053] (1)以Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O棒材为原料，其[Mo]当量为11.41。合金中除少 量不可避免的杂质氧元素，原料中不含其他金属杂质元素；运用电火花线切割将 Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O棒材切割为适合轧制的板材，并去除表面氧化层。其尺寸 约为60mm×10mm×2mm。
[0054] (2)将步骤(1)中表面干净的Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材放置于深冷保 温箱中，进行深冷处理，深冷保温箱内温度由液氮进行维持。深冷处理工艺为温 度控制为200K，保温时间控制为40min；
[0055] (3)将步骤(2)中深冷处理后的制得的Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材从深 冷保温箱取出后，立即进行轧制预变形，其道次变形量约为3％，总变形量为6％， 道次间需放回深冷保温箱进行温度恢复，恢复温度为200K，时间控制为10min。 预变形后将合金板材放置于空气中，使其恢复至室温，得到预变形后 Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材；
[0056] 通过组织观察法对本实施例产品进行测试，本发明调控工艺最终得到了含有 大量孪生组织的亚稳β钛合金板材。经检测，本材料的抗拉强度：905MPa，延 伸率15.2％。
[0057] 实施例5
[0058] 本发明的亚稳β钛合金力学性能的调控方法，包括以下步骤：
[0059] (1)以Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O棒材为原料，其[Mo]钼当量为。此外，合金中 除少量不可避免的杂质氧元素，原料中不含其他金属杂质元素；运用电火花线切 割将Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O棒材切割为适合轧制的板材，并去除表面氧化层。 其尺寸约为60mm×10mm×2mm。
[0060] (2)将步骤(1)中表面干净的Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材放置于深冷保 温箱中，深冷保温箱内温度由纯水进行维持。处理工艺为温度控制为298K，保 温时间控制为30min；
[0061] (3)将步骤(2)中深冷处理后的制得的Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材从深 冷保温箱取出后，立即进行轧制预变形，其道次变形量约为1.5％，总变形量为 4.5％，道次间需放回深冷保温箱进行温度恢复，恢复温度为298K，时间控制为 10min。最终得到预变形后Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材；
[0062] 通过组织观察法对本实施例产品进行测试，本实施例亚稳β钛合金深冷处理 与预变形后组织如图4所示，由上述照片可知，本实施例中预变形前后亚稳β 钛合金组织并未有明显变化，未出现大量孪生组织。由图5可见，本发明调控后 的亚稳β钛合金性能差于上述几个实例，经检测，本材料的抗拉强度：870MPa， 延伸率14.5％。
[0063] 实施例6
[0064] 本发明的亚稳β钛合金力学性能的调控方法，包括以下步骤：
[0065] (1)以Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O棒材为原料，其[Mo]钼当量为。此外，合金中 除少量不可避免的杂质氧元素，原料中不含其他金属杂质元素；运用电火花线切 割将Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O棒材切割为适合轧制的板材，并去除表面氧化层。 其尺寸约为60mm×10mm×2mm。
[0066] (2)将步骤(1)中表面干净的Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材放置于深冷保 温箱中，深冷保温箱内温度由纯水进行维持。处理工艺为温度控制为77K，保温 时间控制为30min；
[0067] (3)将步骤(2)中深冷处理后的制得的Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材从深 冷保温箱取出后，立即进行轧制预变形，其道次变形量约为5％，总变形量为40％， 道次间需放回深冷保温箱进行温度恢复，恢复温度为77K，时间控制为5min。 最终得到预变形后Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.35O合金板材；
[0068] 本实施例中预变形前后亚稳β钛合金晶粒被严重轧扁拉长，出现大量滑移带 组织，但未出现大量孪生组织。经检测，材料抗拉强度略有提高，但延伸率大幅 下降(本材料的抗拉强度：1000MPa，延伸率3.7％)。
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