[发明专利]一种梯度钛材料的制备方法

说明书

本发明公开一种梯度钛材料的制备方法，属于金属材料加工技术领域。本发明所述方法首先将钛粉进行模压成型，成型后真空烧结、保温、冷却；之后分别在不同温度下变通道挤压成型，得到梯度结构钛材料，最后钛棒旋锻加工表面到心部的梯度发生了变化，经过旋锻加工硬度值得到有效提高。通过硬度曲线表明，本发明所制备的钛材料硬度值随表面到心部的距离变化而变化；本发明通过简单的制备方法将钛形成梯度结构材料，在迅速发展的医疗、航空航天等领域具有重要价值和应用空间。

技术领域

本发明涉及一种梯度钛材料的制备方法，属于金属材料加工技术领域。

背景技术

钛具有很多优异的综合性能：钛合金具有密度低、熔点高（钛的熔点为1668℃，比铁、镍稍高，比铝、镁的熔点高1000℃以上）、比强度高（而强度与普通结构钢相当或更高，在金属结构材料中，钛的比强度是最高的）、抗腐蚀性能好（钛在氧化性气氛中极易在表面与氧形成一层坚固的氧化物薄膜，对大气、海水、土壤以及许多化学介质有很强的耐蚀性）、工艺性能好等优点，是较为理想的航天工程结构材料。钛的导热系数小、无磁，某些钛合金还具有超导性能、记忆性能和贮氢性能等功能。同时计算机等高科技产业对钛的需求增长点也在不断涌现，促使钛领域的不断发展。

现有的梯度结构材料制备方法：表面机械研磨处理（SMAT），使材料表面发生严重的塑性变形，从而使得材料表面的晶粒产生明显细化或亚结构发生改变。得到从材料表层到心部呈现梯度变化的结构。 SMAT 方法制备梯度样品采用弹丸撞击材料表面时样品表面发生的多向塑性变形。表面机械碾压处理技术（SMGT），该技术是采用球形碾压头压入被处理材料表层一定深度进行碾磨或滚压，使材料表层产生大剪切变形而发生晶粒细化，形成梯度纳米结构的塑性变形技术。SMAT的缺点是不能够加工柱状金属，SMGT的缺点是加工周期长，不能够快速大量生；这些缺点限制了材料大量制备及应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种梯度钛材料的制备方法，该方法通过粉末模压成型，经过变通道挤压对钛材进行加工，使钛棒表面层到心部形成梯度，并结合旋转锻造工艺处理后得到钛棒；最后钛棒旋锻加工表面到心部的梯度发生了变化，硬度值得到有效提高；本发明制备得到的梯度结构钛材料从表面至心部硬度值呈梯度变化（即从最表面的晶粒层逐渐过渡至次表面的晶粒层最终过渡到心部的晶粒层），并且得到高硬度值的梯度结构钛材料，具体包括以下步骤：

（1）将钛粉末模压成型，得到块体材料；

（2）将步骤（1）得到的块体进行真空烧结，之后在气体保护装置下冷却到室温；

（3）步骤（2）得到的钛样品，运用变通道挤压法进行热挤压成型，形成直径20mm钛棒；

（4）将步骤（3）中的钛棒进行室温旋锻，形成直径4.5mm钛棒。

优选的，本发明步骤（1）中钛粉末的纯度大于等于99.6%，粒度为-150~-250目。

优选的，本发明步骤（1）中模压成型的挤压力为300~500MPa。

优选的，本发明步骤（2）中真空烧结的条件为1250℃~1300℃，保温时间为1~2h，温度上升速度10℃/min。

优选的，本发明步骤（3）中变通道挤压法热挤压成型的条件为：挤压温度为600℃~700℃，温度上升速度150℃~180℃/min，挤压比为8:1~9:1。

本发明所述旋锻设备为常规工艺。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述方法利用变通道挤压技术和旋转锻造结合，制备得到从表层到心部硬度值从高到低的梯度结构材料，得到具有高强度的梯度钛材料；该方法成本低，加工工艺简单，易于生产，并且产品质量稳定。

（2）本发明通过热压温度和工艺加工方法的控制，得到具有很高的强度梯度钛材料，为退火态钛的2倍以上。