[发明专利]扭转剪切复合挤压制备钛合金微/纳米块体方法

说明书

技术领域

本发明属于通过机械加工制备高性能金属材料技术领域，是一种扭转剪切复合挤压剧烈塑性成形细化钛合金晶粒为微纳米数量级以提高其综合力学及机械性能的方法。 

背景技术

钛及钛合金具有密度小、比强度比刚度高、耐腐蚀性好、高温力学性能优异、抗疲劳和蠕变性能突出、无磁性可焊接等优点，在航空、航天、化工、兵器、舰船、能源等领域都已得到广泛应用。特别是在航空航天领域，钛合金已成为先进飞机和航空发动机的主要结构材料之一，也成为衡量飞机选材先进程度的重要标志。但与此同时，航空航天技术的不断发展也对钛合金作为结构材料的综合机械性能提出了更高的要求。 

纳米技术是上世纪90年代初开始发展的新兴科技，主要是探索介于宏微观之间但更接近于微观的纳米尺度物质体系的运动规律及其相互作用关系。由于其对信息科学、生命科学及材料科学等科学技术的巨大推动作用而受到世界各国的高度重视并得以迅猛发展，目前在材料、信息、能源、环境、生命以及军事等领域都已得到广泛应用。 

金属纳米多晶体是纳米材料学与纳米机械学的交叉研究领域，主要研究晶粒尺寸1～100nm之间的金属多晶体的各种组织力学性能、特征及规律，是现代纳米技术的重要组成部分。由于纳米多晶体包含的原子数介于10²～10⁷之间，空位、间隙置换原子、位错层错等各种微观热动力学统计缺陷不再具有宏观统计规律，晶体内部的材料微观缺陷显著降低，部分晶体甚至接近于完整晶体，表现出极高的材料强度特征，其中弹性刚度及塑性强度的提高幅度可以达到1000％。显然，如果能够通过纳米化的方法制备高性能钛合金块体材料则对于促进钛合金作为工程结构材料，尤其是航空、航天、装甲等先进结构材料的应用将具有重要意义。 

但目前金属纳米多晶体的制备方法仍处于探索阶段，常用的有原位生成、粉末冶金、非晶晶化、电沉积、凝固控制及剧烈塑性成形等方法。与基于物理化学过程的制备方法相比，剧烈塑性成形(Severe Plastic Deformation，SPD)制备的纳米多晶体具有组织致密、无微孔隙及界面弱连接、不易引入杂质、界面组织清洁及无颗粒团聚等优点。但与纳米颗粒固化制备的纳米晶块体相比，目前剧烈塑性成形制备的纳米晶块体存在纳米晶尺寸偏大(200nm～300nm)、重复变形过程中纳米晶直径存在饱和值、强化幅度偏低(宏观力学性能提高幅度仅为100％～120％)等问题，无法充分发挥纳米晶的高强化特征。 

造成这些现象的主要原因是变形过程中剧烈的剪切应力在引起晶粒沿剪切方向发生剧烈相对滑动的同时，剪切面两侧材料的晶内微观塑性行为无法协调原子间键合关系的重新构建，晶粒细化表现为剪断型细化，形成大量以微裂纹微孔洞为代表的微观缺陷。尤其对于强化相弥散分布及强化元素原子半径与基体原子半径差别较大的固溶强化合金，其微缺陷的形核生长及分布表现得更为广泛和迅速。此外由于剧烈塑性成形制备纳米晶体以剪切变形为主，变形区材料静水压力几乎为零，剧烈剪切所引起的微缺陷无法得到及时的闭合和修复，造成通过以等径角挤为代表的剧烈塑性变形制备的微纳米多晶体材料的宏观力学性能有时不仅没有显著提高，甚至还会低于粗晶，严重影响了其作为结构材料的应用。 

发明内容

本发明针对目前剧烈塑性成形制备微纳米多晶体存在纳米晶直径饱和及强化幅度偏低，无法充分发挥纳米晶高强化特征的问题，以被称为“太空金属”和“海洋金属”的钛合金为主要对象，给出了一种复合塑性成形方法制备工程结构用高质量微纳米钛合金块体材料的新方法，具有既能发挥剧烈塑性成形强烈剪切变形细化晶粒的能力，同时又能通过提高变形区静水压力闭合成形过程中的微缺陷，显著提高所制备的钛合金微纳米晶质量。 

本发明主要包括以下内容： 

第一步：钛合金坯料的制备及模具的制造，针对最终钛合金材料几何尺寸加工制造相应的扭转挤压及剪切挤压模具； 

第二步：扭转挤压剧烈塑性成形：将钛合金坯料置于扭转挤压挤压筒中，通过相应的挤压设备配合扭转挤压模具进行扭转挤压剧烈塑性变形，依托挤压过程中以挤压轴为中心的剧烈轴对称剪切变形，在不改变坯料截面几何形状的条件下趋使钛合金晶粒发生强烈的扭转变形，通过位错的剧烈运动快速形成位错胞和亚晶，形成对钛合金晶粒的初次细化； 

第三步：取样分析，力学性能测试，及微观组织观察：对于扭转挤压变形后的组织进行显微分析，确定晶粒尺寸的变化；