[发明专利]一种基于脉冲电流相变效应的高强韧金属材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种基于脉冲电流相变效应的高强韧金属材料的制备方法。

背景技术

通常情况下，晶粒尺寸大小对强度和塑性的贡献相反，这导致了高强度和高塑性很难同时存在于金属结构材料中。因此，追求金属结构材料的高强韧化，一直以来都是科研工作者努力的目标。以工业纯钛为例，作为一种先进的轻量化金属结构材料，纯钛具有比强度高、耐热性好、耐腐蚀性优异及生物相容性良好等突出优点，广泛应用于航空、航天、船舶、国防装备、化工、医疗、能源等领域。然而，不断提高的使役性能要求科研工作者不断改进制备工艺，以不断优化纯钛的结构，进而同步提高其强度和塑性，以满足更苛刻条件下的应用。由于纯钛在室温下为密排六方晶体结构，该晶体结构对称性差，滑移系少，从而大幅降低了该材料的塑性。因此，有必要采取改进的制备工艺提高纯钛的强韧性。

目前，工业应用中提高纯钛综合力学性能的最有效和最成熟方法是晶粒细化。其中，剧塑性变形法是细化纯钛晶粒的最有效方式，主要包括等径角挤压、冷轧和高压等技术。近些年来，将等径角挤压和冷轧两种工艺相结合来制备高强韧纯钛也越来越受到研究工作者们的青睐。

但是，由于纯钛的密排六方晶体结构特点，单纯通过晶粒细化来改善其强韧性往往不能起到很好的效果。经过现有技术的文献检索发现：V.V.Stolyarov等曾在《材料科学与工程A》报到了关于《ECAP挤压路径对纯钛微观组织及性能的影响》的论文(参考文献1，Influence of ECAP routes on the microstructure and properties of pure Ti,Materials Science and Engineering A 299,2001,59-67)。该研究表明：当对1级纯钛TA1进行8道次等径角挤压处理后，纯钛TA1的抗拉强度从粗晶(10μm)的460MPa提高到超细晶(260nm)的710MPa，然而延伸率却只有14％。D.K.Yang等曾在《材料学刊》上发表了一篇关于《通过得到多尺度结构来同时提高钛的强度和塑性》的论文(参考文献2，Simultaneously enhanced strength and ductility of titanium via multimodal grain structure,Scripta Materialia 63,2010,941-944)。该研究表明：当对纯钛进行83％冷轧加300℃保温1h退火后发现，纯钛组织变为多尺度结构(50-200nm)，抗拉强度提高到945MPa，但延伸率仅为23％。

有鉴于此，科研工作者不断改进制备技术工艺来提高纯钛的塑性。作为一种新型的粉末活化烧结工艺技术，放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)是一种集电场、应力场和温度场等三场耦合作用的材料成形技术，该技术与热压、热等静压和无压烧结技术相比，具有更明显的优势：温度低、时间短(只需几分钟)、升温和降温速率快(可提供高达几百K/min的升温和冷却速率)、可以有效抑制晶粒长大、生产效率高。但是，如何通过放电等离子烧结技术来控制金属材料的相转变，调节金属材料的微观组织结构，进而获得优化的强度和塑性却鲜有报道。

发明内容

为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种基于脉冲电流相变效应的高强韧金属材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的基于脉冲电流相变效应的高强韧金属材料。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于脉冲电流相变效应的高强韧金属材料的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)高温形变处理：将金属铸锭于800℃-850℃下进行高温形变，以获得所需形状和尺寸的、晶粒细化的坯料；

(2)高温退火处理：对步骤(1)获得的坯料进行高温退火处理，以实现在消除残余应力的同时，获得晶粒分布均匀的等轴晶结构材料；

(3)脉冲电流相变处理：将步骤(2)退火制得的材料装入模具内，通过放电等离子烧结系统对其进行基于脉冲电流效应的无压相变处理，得到基于脉冲电流相变效应的高强韧金属材料；所述脉冲电流效应的无压相变处理的具体工艺参数如下：

脉冲电流设备：放电等离子烧结系统；

脉冲电流强度：1400A～1900A；

相变处理温度T：约高于金属材料相转变温度40℃～100℃的温度区间；如对于同素异构转变温度882℃的纯钛，920℃<T<980℃。