[发明专利]一种高均匀伸长率GPa级钛及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高均匀伸长率GPa级钛，钛板中的再结晶层片组织的体积分数为20‑25％，纳米晶基体的体积分数为75‑80％。本发明还公开了其循环热机械加工方法。最终得到的非均匀层片结构的钛薄板/带材既具有GPa级拉伸屈服强度，又具有≥10％的高均匀拉伸伸长率。本发明的产品能够通过工业上常规的轧制成型技术得到，因此很容易在工业上形成规模化生产。

技术领域

本发明涉及先进结构材料力学性能领域，特别是涉及一种高均匀伸长率GPa级钛及其可控制备方法。

背景技术

金属纯钛作为一种重要的轻质结构材料，凭借优异生物相容性和耐蚀性，在生物医学工程领域具有无可替代的应用价值和广阔前景。间隙固溶强化是金属纯钛的主要强化方式，工业上通常在钛中添加100–3000ppm浓度的氧、氮、铁等间隙元素，以获得高强度。例如，与高纯钛(典型屈服强度约100MPa)相比，牌号为TA₁–TA₄的工业纯钛强度可提高约1–4倍。然而，大量研究表明，钛的生物相容性/耐蚀性对氧、氮等杂质元素极其敏感，随杂质含量提高其生物相容性/耐蚀性难以满足医学应用条件。因此，本领域亟需解决的问题在于：如何在高纯钛中获得不低于600MPa的高拉伸屈服强度？解决这一问题，传统上位错强化和细晶强化是惟一可行的两条途径。这两种强化方式的共同特点是，利用塑性变形的手段向材料内部引入大量晶体缺陷造成强化；共同的不足是当将金属纯钛的屈服强度强化至600MPa以上时导致其拉伸塑性迅速恶化，均匀伸长率通常不足5％。

众所周知，高拉伸屈服强度(≥600MPa)和高均匀伸长率(即均匀塑性，高均匀伸长率特指≥10％的均匀伸长率)是商业金属纯钛在加工、服役过程中两个最基础、最关键的力学性能指标。高屈服强度可使金属在发生塑性变形之前承担大的载荷，而大均匀塑性则可使其在宏观颈缩之前进行较大的加工硬化，避免发生突然的破坏。这两个指标均对晶粒尺寸(当时)具有强烈的依赖性。传统粗晶材料强度低却具有很大的均匀塑性，当晶粒尺寸减小到亚微米尺寸时，强度显著提高、却几乎丧失了全部的均匀塑性。金属纯钛强韧化所面临的极大挑战是怎样同时获得这两个极端的性能，这也成为高强度超细晶结构钛由科学研究迈向生物医学应用的关键技术瓶颈问题。为此，本专利提出一种非均匀层片纳米结构钛板材的热机械加工方法，用以解决现有技术中金属纯钛难以实现协同强韧化的技术瓶颈问题。

发明内容

本发明公开了一种拉伸屈服强度近1GPa且拉伸均匀伸长率≥10％金属钛的热机械加工方法，用以解决现有技术中金属纯钛无法同时获得高强度和大拉伸塑性的技术瓶颈问题。

本发明的技术方案为：

一种高均匀伸长率GPa级钛，钛板中的再结晶层片组织的体积分数为20-25％，纳米晶基体的体积分数为75-80％。进一步的，所述钛板中的再结晶层片的间距为不大于5μm；纳米晶基体的平均晶粒尺寸小于200nm；所述钛板拉伸屈服强度为0.8-1GPa，拉伸均匀伸长率≥10％。

一种高均匀伸长率GPa级钛的制备方法包括如下步骤：

步骤101，对所述钛板进行预处理，所述预处理步骤包括固溶处理；

步骤201，在预定的T₁温度范围内，对预处理的固溶态钛板进行预定轧制时间及应变量ε₁的单一道次的高温轧制处理；利用T1温度进行的高温轧制，控制层状动态再结晶过程，通过T1与ε1的控制，实现非均匀层片组织中再结晶比例、再结晶层片体积分数、分布及微观形态的优化及可控制备；

步骤301，在预定T₂温度范围内，对经步骤201温轧制处理后的钛板再次进行预定轧制时间t₂及应变量ε₂的多道次数n的低温轧制处理；采用在T2温度进行的低温轧制，通过T1，t2及ε2的控制，实现对多尺度非均匀层状动态再结晶的形核位置和形核率，以及对非均匀层片组织内的缺陷密度、再结晶晶粒及(这些晶粒所组成的)再结晶层片间距等微观参数的优化及控制；