[发明专利]一种多层双相跨尺度结构纯钛的制备方法

说明书

本发明公开了一种多层双相跨尺度结构纯钛的制备方法，多层双相跨尺度结构由纳米晶α钛‑细晶α钛‑粗晶β钛构成。多层双相跨尺度结构纯钛的制备方法，包括以下步骤：步骤1：在室温下对钛板材进行多道次轧制得到纳米晶α纯钛；步骤2：对步骤1得到的纳米晶α纯钛回复性退火；步骤3：对步骤2得到的纳米晶α纯钛用高能电子束在真空环境下刻蚀热处理，得到多层双相纳米晶α钛‑细晶α钛‑粗晶β钛跨尺度结构。本发明解决了由纳米晶纯钛得到跨尺度不均匀结构纯钛的难题，得到的多层双相跨尺度结构纯钛可用作生物植入体承重结构材料，制备流程简单、高效，可规模化生产。除此之外，通过本发明制备方法还可以用于纳米晶材料表面改性等领域。

技术领域

本发明涉及金属材料加工制备或医学外科植入体技术领域，具体涉及一种多层双相跨尺度结构纯钛的制备方法。

背景技术

经历几代材料人的发展，纳米晶金属材料的机械性能获得了飞跃性的进步，大幅度提高了材料强度、抗疲劳损伤、耐摩擦磨损等机械性能以更好的满足工程需求。然而纳米晶金属材料的实际工程应用仍具有极大的限制，包括其低延展性、低损伤容限、低热稳定性等缺点。因此，材料科学家聚焦于开发新的兼具传统金属材料和纳米晶金属材料优点的新型结构材料，跨尺度不均匀(多相或多层)结构是目前最有希望的结构材料设计思路。

跨尺度不均匀结构的设计思路主要有两种，其一为在粗晶基体上制备纳米晶层，或在单相基体上增加另一种相的表层，表面机械纳米化及其所制备的梯度结构就属于这种思路；其二为先得到纳米晶金属，再对纳米晶金属表面或内部进行热处理得到粗晶部分。这两种思路都能得到表面或整体性能得到大幅度改善的跨尺度不均匀结构材料。然而，对于难变形金属如钛、镍钛记忆合金以及很多大型结构部件来说，符合上述两种思路的现有报道的技术手段很难实现。面对这种问题，我们迫切需要在现有方法原理的基础上开发一种简单、高效，能工业化生产的多层双相跨尺度结构新方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多层双相跨尺度结构纯钛的制备方法，由纳米晶钛制备多层双相跨尺度结构纯钛的技术手段，解决了纳米晶块体纯钛制备多层双相跨尺度结构纯钛的问题，并且解决了上述背景技术中提到的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多层双相跨尺度结构纯钛，所述多层双相跨尺度结构由纳米晶α钛-细晶α钛-粗晶β钛构成。

一种多层双相跨尺度结构纯钛的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、在室温下对钛板材进行多道次轧制得到纳米晶α纯钛；

步骤2、对步骤1得到的纳米晶α纯钛板材回复性退火；

步骤3、对步骤2得到的纳米晶α纯钛板材用高能电子束在真空环境下刻蚀热处理，得到多层双相纳米晶α钛-细晶α钛-粗晶β钛板材；

优选的，所述步骤1中多道次室温轧制的累计应变量≥80％，每道次应变量≤10％。

优选的，所述步骤1中纳米晶α钛的晶粒尺寸80nm～200nm。

优选的，所述步骤2中回复性退火具体为：以8～10℃/min的加热速率由室温升至200～400℃，保温10min，然后以3～5℃/min的降温速率降至环境温度，冷却。

优选的，所述步骤3中刻蚀热处理时的真空度不低于5Pa。

优选的，所述步骤3中高能电子束的电流为2mA～10mA，电子枪进给速度5m/min～20m/min。

本发明提出的在纳米晶α钛基体上得到粗晶β钛的工艺原理是：高能电子束轰击样品会在轰击区产生大量热输入，使得样品局部处于融化状态，当电子束进给移动至下一区域时，上一区域的融化态样品由于区域很小热量快速散发，快速冷却导致样品降低至相变点温度时生成大量的针状β钛晶粒。