[发明专利]一种多尺度结构钛合金材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种多尺度结构钛合金材料的制备方法，属于材料制备技术领域，方法技术方案为：(1)钛板预处理；(2)叠层堆垛：将不同厚度的步骤(1)处理后的钛板按照一定顺序叠层堆垛；(3)真空热压烧结；(4)低温轧制。本发明通过调整钛合金的叠层设计方式、真空热处理与热压烧结参数以及轧制工艺，可以制备出组织可调控、综合力学性能优良的多尺度钛合金材料。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种多尺度结构钛合金材料的制备方法。

背景技术

钛合金具有密度低、比强度与比模量高、耐腐蚀性好等优点，目前已被广泛应用于航天航空和汽车工业。然而随着航天航空和高性能汽车的高速发展，钛合金零件的服役条件越发苛刻：不仅对钛合金的强度要求不断提高，而且对其韧性(塑性)也提出了更高的要求，即在大幅度提高钛合金强度的同时，要求其必须保持足够的韧性(塑性)。通常，细化晶粒能显著提高金属材料的强度，具有纳米晶粒尺度的金属材料的强度可达几倍于传统的粗晶(晶粒尺度为几微米至几百微米)金属材料，但由于其较低的加工硬化能力导致其塑性远低于粗晶金属材料。

多尺度结构钛合金是指钛合金的晶粒由心部纳米尺度呈梯度变化到表面微米尺度即梯度晶粒结构，或者微米粗晶与纳米细晶交替叠层排列即微纳米叠层结构。剧烈的塑性变形可以细化晶粒，控制塑性变形条件可以将晶粒细化至亚微米级甚至纳米级。为了获得梯度结构金属材料，一般可采用梯度塑性变形，使形变量、形变速率等从心部到表面梯度变化，从而形成梯度结构。主要制备方法包括表面压入式梯度变形法和异步轧制法等。其中表面压入式梯度变形是利用硬质压头或者球丸循环重复多次压入材料表面，使得材料表面产生多次重复塑性变形，并且形变量和形变速率随着深度增加而呈梯度减小，因而形成表面梯度晶粒结构。但此方法的局限在于只在材料表面几十微米深处产生梯度结构，并且设备比较复杂，成本较高。异步轧制法是通过控制两个轧辊的滚速不同，产生不同的形变量和形变速率，并且同时交替往复输送板材，获得晶粒大小不均匀结构。但采用这种方法对轧机要求极高，并且最终轧制出的板材厚度仅有几百微米，不适合大规模生产。

发明内容

为解决上述钛合金的强度–韧性(塑性)倒置问题，本发明提供了一种多尺度结构钛合金材料的制备方法，技术方案如下：

一种多尺度结构钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)钛板预处理；(2)叠层堆垛：将不同厚度的步骤(1)处理后的钛板按照一定顺序叠层堆垛；(3)真空热压烧结；(4)低温轧制。

利用真空热压烧结技术实现不同厚度钛板的层间初步结合，同时控制不同厚度钛板内部晶粒粗化程度(即钛板越厚，晶粒尺寸越大)；低温轧制：目的是实现不同厚度钛板层内晶粒细化，同时大幅提高不同厚度钛板的层间界面结合强度，最终制备出微纳米晶粒不均匀分布(梯度或层状分布)的钛合金即多尺度结构钛合金块体材料。

步骤(1)所述钛板为商业纯钛板，厚度为50μm-2mm。

步骤(1)具体为：将厚度为1-2mm的商业纯钛板先进行真空热处理，再对所有规格(厚度为50μm-2mm)钛板进行表面酸处理。

所述表面酸处理为：使用酸溶液浸渍钛板，然后用去离子水漂洗，烘干。

所述酸溶液为质量浓度10-20％的氢氟酸(HF)水溶液，浸渍时间为5-30s。

所述真空热处理，热处理温度为600-850℃，热处理时间为1-5h。热处理在真空炉制造的真空环境下进行。

酸处理的目的是去除氧化膜等杂质。去离子水漂洗可进行多次，洗净钛板表面的酸即可。

真空热处理实质为退火处理，该步骤使钛板晶粒粗化至50-200μm。