[发明专利]一种超细晶Ti-6Al-4V合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金制备技术领域，特别涉及一种超细晶Ti-6Al-4V合金的制备方法。

背景技术

钛合金具有密度低、比强度高、耐热及耐腐蚀性好、生物相容性优异等优点，被广泛应用在航空航天、国防军工、航海、汽车、体育及生物医疗等领域。Ti-6Al-4V合金是一种具有代表性的(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。随着宇航工业、汽车工业的发展，对钛合金的性能，尤其是力学性能提出了更高的要求。传统的Ti-6Al-4V合金制备方法通常采用铸造法，获得的晶粒较粗大，一般在10μm以上，经热处理后屈服强度<1200MPa。近年来晶粒细化技术为研制高性能的Ti-6Al-4V合金材料提供了可能：通过晶粒细化的方法，可使该合金的晶粒尺寸达到1μm以下，从而使其屈服强度提高至1200MPa以上。

目前，超细晶材料的制备工艺根据其工艺路线可以划分为两大类：

一是所谓的“自上而下”法(Top-bottom)，其中最典型的例子就是剧塑性变形法，通过在变形过程中引入大的应变量(应变量大于1)，使材料的内部组织细化至超细晶量级。目前已经被开发的制备块体超细晶材料的剧烈塑性变形方法主要有以下几种：高压扭转法、等通道转角挤压变形法、叠层轧合技术、反复弯曲-平直法等。其中高压扭转与等通道转角挤压变形法是目前研究最多的两种剧烈塑性变形方法。

二是所谓的“自下而上”法(Bottom-up)，指的是首先制备出超细晶、纳米晶粉末，再通过各种粉末压制和烧结方法将其固结为块体材料。“自下而上”法中以粉末冶金法最具代表性，常见的制备超细晶材料的粉末冶金烧结工艺有真空烧结、热压、热等静压、准等静压锻造、放电等离子烧结等。“自下而上”法的缺点在于：由于粉末固结不充分而导致材料内部存在残余孔隙以及制备过程中引入一定量的杂质，这些将对块体材料的力学性能产生不利影响，因此通过优化工艺参数制备出致密块体材料显得极为重要。

放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)是上世纪90年代发展起来的一种集热压烧结和脉冲电流烧结为一体的新型粉末快速固结技术。在高频、瞬间脉冲电流的作用下，粉末颗粒间可能会产生脉冲放电效应，激发出等离子体，对粉末表面起到净化和活化的作用，从而大大促进了粉末间的扩散；另外，电流通过金属粉末将产生焦耳热效应，使粉末实现快速加热。由于SPS特殊的烧结方式，它具有升温速率快，烧结时间短，烧结温度低，烧结材料密度高、晶粒细小等优点，从而在制备超细晶、纳米晶金属材料方面具有独特的优势。此外，由于SPS工艺流程较短，烧结过程中引入的杂质含量也可以得到有效的控制。

在通过SPS方法对超细晶、纳米晶粉末进行烧结的过程中，由于常用石墨模具材料的强度限制，通常采用较低的机械压力进行烧结(烧结压力通常在50～100MPa之间)，此时需要适当提高烧结温度，从而使烧结块体材料接近或达到全致密；然而，烧结温度过高往往会导致纳米晶、超细晶粉末的晶粒迅速长大或出现局部再结晶，从而无法获得单一尺度且晶粒细小的超细晶金属块体材料。以钛合金为例：采用高能机械球磨法经过10h球磨后制备出Ti-6Al-4V纳米晶合金粉末，然后采用SPS烧结技术使粉末烧结致密制备Ti-6Al-4V块体材料。当烧结温度低于850℃，烧结压力为50MPa时，烧结材料无法达到全致密(相对密度<99％)。当烧结温度达到850℃时，烧结材料才能接近全致密(相对密度>99％)，表现出较高的强度和塑性，此时烧结材料的大部分基体为超细晶等轴(α+β)组织，平均晶粒尺寸为0.87μm，但烧结材料的显微组织中已经出现了局部再结晶现象，再结晶形成的粗晶长大到几微米至几十微米，体积分数约占8％，因此通过现有高能机械球磨-放电等离子烧结方法无法获得组织致密并且具有单一尺度超细晶组织的钛合金材料(具体可见论文“Yan Long,Hongying Zhang,Tao Wang,Xiaolong Huang,Yuanyuan Li,Jingshen Wu,Haibin Chen.High-strength Ti-6Al-4V with ultrafine-grained structure fabricated by high energy ball milling and spark plasma sintering,Materials Science&Engineering A,2013,585:408-414.”)。

发明内容