[发明专利]梯度功能钛合金带材及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金带材及制备方法，特别涉及一种弹性模量梯度分布的钛合金带材的制备方法，以及涉及采用该方法制得的一种梯度功能TC4钛合金带材。

背景技术

随着世界性的能源危机和环境污染问题日趋严重，为了降低能耗和减少机动机械尾气排放造成的环境污染，在航空、航天、汽车和生物医用等领域，结构轻量化所带来的效益十分显著，包括可以提高机动工具的机动性，减少油耗，降低了对运送工具的要求和运送的费用。汽车、商(军)用飞行器是量大而广的交通工具，材料结构微小的改进，就会产生显著的经济效益。传统的结构材料(钢铁、铝等)在国民经济中面临节能、降耗、减排和环保的严峻形势。在这种情况下，应用和开发轻质结构材料钛合金，已成为近几年国内外研究和发展的热点和重点。

钛合金是一种重要的轻质结构材料，尤其是钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀性强、可焊、中温性能好和无磁等优点，使之在航空、航天、船舰、兵器、核能、交通运输产业、军事和电子、信息产业和生物医用等领域有着广泛的应用。因此金属钛合金被誉为“21世纪最重要的绿色工程材料”和“21世纪最重要的生物医用金属材料”。

近年来，TC4钛合金作为最重要的王牌商业钛合金之一得到飞速的发展和广泛的应用，但TC4钛合金单一的力学性能和较大的弹性模量在很大程度上限制了变形钛合金在航空发动机和医用植入物等方面的进一步应用。对TC4钛合金进行适当的变形和后续热处理(如高温相变热处理)，可大幅度降低其弹性模量；采用分段热处理然后将不同组织和性能的材料进行后续焊接处理(如搅拌摩擦焊接)，可实现制备梯度功能钛合金材料，而这种低弹性模量、更多样化梯度力学性能的梯度功能TC4钛合金应具有更广泛的市场应用前景和更广阔的发展空间。

一般的两相TC4钛合金经过低温去应力退火后冷却至室温的组织由α-Ti准单相等轴组织组成，其中少量转变β-Ti以块状形式存在于晶界和晶粒交叉处，在晶团内部拥有细小的次生α-Ti相。转变贝塔相、初生等轴阿尔法相和次生阿尔法相的尺寸由具体的材料成分、热处理(加工)工艺、冷却工艺和冷却介质等因素有关。有研究报道，Ti-Al-V系列钛合金变形后再经过低温去应力退火热处理可使材料转变为以等轴阿尔法相为基体，同时在少量的残留贝塔相中以细小层片状或者等轴状的形式均匀、弥散分布于晶界和晶内，从而降低其弹性模量。尽管如此，TC4钛合金经过上述处理后，仍然有大量粗大的等轴状α相以及抱团的转变β相晶块。拥有这种组织的TC4钛合金在后续变形或者在承受外部载荷的过程中，晶界处粗大的等轴状α-Ti和成团的转变β晶块处容易阻碍弹性变形的发生，形成应力阻滞现象，容易造成材料的弹性模量过大，由此产生材料过早的失效或者与人体软(硬)组织力学相容性不好的问题，因此α-Ti和β-Ti的数量、分布和形貌特征严重影响了TC4钛合金的力学性能。另外，如飞机涡轮发动机叶片和人体骨组织植入材料不同部位需要满足各自不同的力学特性，以满足其实际服役于多性能要求的复杂环境，这就要求材料具备梯度功能的力学性能。

很明显，如果要在此基础上进一步降低TC4钛合金的弹性模量，并实现其功能梯度分布的特性，只有改善其中两相的分布和形貌使之朝有利于其弹性模量降低的方向发展，同时还需要实现显微组织的梯度分布以期制备梯度功能材料，满足实际复杂的服役环境。