[发明专利]一种双尺度晶粒Ti-6Al-4V材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金技术领域，具体是指一种双尺度晶粒Ti-6Al-4V材料的制备方法。

背景技术

随着钛合金制备成本的降低，该材料不仅应用于传统的航空航天和海洋工程领域，而且在汽车、建筑等民用工业领域的应用也越来越广泛。同时随着科学技术的发展，对钛合金力学性能的要求也越来越高，现有的钛合金已不能满足飞速发展的航空航天以及汽车、建筑、海洋工程等行业发展的要求，需要研发更高性能的钛合金材料。Ti-6Al-4V合金是一种代表性的α+β两相钛合金，其用量占钛合金总产量的50%以上，现在已经发展成为世界各国通用的钛合金，因此如何进一步提高该合金的性能成为当前领域的一个研究热点。

传统的Ti-6Al-4V合金的制备通常采用铸造法，获得的晶粒粗大，一般在10μm以上，该合金经热处理后屈服强度<1200MPa，伸长率可达到10%以上。近年来晶粒细化技术为研究高性能Ti-6Al-4V材料提供了可能。例如：氢处理技术、机械合金化技术、大塑性变形技术等。这些材料制备技术能将晶粒细化，使其晶粒尺寸达到1μm以下。大量关于超细晶Ti-6Al-4V材料力学性能的研究表明，晶粒细化可使Ti-6Al-4V材料的强度、硬度均显著提高；然而在常温、较大应变速率条件下超细晶Ti-6Al-4V材料的塑性却普遍低于常规粗晶态的材料（<10%）。

现有研究表明在超细晶基体中引入一定比例的微米晶形成晶粒尺寸呈双尺度分布的组织有可能解决超细晶材料塑性偏低的问题。S.Zherebtsov等人在“多向热锻法制备超细晶两相钛合金的强度和塑性”（Materials Science andEngineering A，2012，536：190-196）中公开了获得双尺度晶粒Ti-6Al-4V材料的大塑性变形法，它首先通过空冷获得粗晶态的Ti-6Al-4V材料，其组织为球状α相和片层状α+β相，然后采用多向热锻法制备出双尺度晶粒Ti-6Al-4V材料，其细晶区和粗晶区的平均晶粒尺寸分别为300nm和10μm，细晶区的体积分数大约为40%。该材料的强度与单一尺度的超细晶Ti-6Al-4V材料相当，而塑性却提高了20–60%。

大塑性变形法虽然能制备出无缺陷的双尺度晶粒Ti-6Al-4V材料，但是也存在一定的局限性。通过大塑性变形法，难以控制塑性变形后材料的晶粒尺寸和组织中粗晶区的体积百分比，使得组织的可重复性差，材料的力学性能不稳定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种双尺度晶粒Ti-6Al-4V材料的制备方法，以实现近净成型，并获得近全致密的块体材料，其显微组织中粗晶区和细晶区均匀分布，粗晶区与细晶区的比例可任意调节和精确控制，从而改善Ti-6Al-4V在室温下的综合力学性能。

一种双尺度晶粒Ti-6Al-4V材料的制备方法，其特征在于：采用高能球磨和放电等离子烧结技术相结合的成形方法，它包括如下步骤及其工艺条件：

步骤一：高能球磨制备超细晶/纳米晶Ti-6Al-4V粉末

在惰性气体的保护下，将晶粒尺寸>1μm的原料Ti-6Al-4V粉末和磨球置于不锈钢球磨罐中进行高能球磨，随着球磨时间的延长，粉末内部的晶粒不断细化，高能球磨全过程中分段取粉，获得晶粒细化程度不同的粉末，其中超细晶粉末晶粒尺寸分布范围在100nm~1μm之间，纳米晶粉末晶粒尺寸分布范围在10nm~100nm之间；

步骤二：不同晶粒尺寸的Ti-6Al-4V粉末的混合

将原料粉末和高能球磨所得到的超细晶粉末两者中的一种与高能球磨所得到的纳米晶粉末按任意质量比配料并均匀混合；

步骤三：放电等离子烧结

采用放电等离子烧结炉烧结步骤二中的混合粉末，其工艺条件如下：

烧结设备：放电等离子烧结系统

烧结电流类型：直流脉冲电流

烧结温度：700℃~950℃

保温时间：1~10min

烧结压力：45MPa以上

升温速率：50~250℃/min

经烧结获得晶粒尺寸呈双尺度分布的Ti-6Al-4V材料，其中粗晶区的晶粒尺寸在1μm~150μm之间，细晶区的晶粒尺寸在100nm~1μm之间。

所述超细晶粉末和纳米晶粉末按最优质量比为1：1~4配料并均匀混合。

所述原料粉末和纳米晶粉末按最优质量比为1：1~4配料并均匀混合。

本发明与现有技术相比具有如下突出的优点：