[发明专利]一种高热稳定性等轴纳米晶Ti-Zr-Mn合金及其制备方法

说明书

本发明涉及钛合金材料领域，具体为一种高热稳定性等轴纳米晶Ti‑Zr‑Mn合金及其制备方法。该钛合金的化学成分如下(重量％)：Zr：12.0～18.0；Mn：0.01～4.8；余量为Ti。该钛合金的制备方法如下：首先，在870℃以上保温一段时间后，快速冷却至室温以获得纳米板条前驱体；随后对纳米板条前驱体在温度为650～780℃，应变速率为0.01～2s^‑1的范围内进行热变形，总应变量大于等于70％，使纳米板条前驱体转变为等轴纳米晶结构。本发明所制备的高热稳定性纳米晶Ti‑Zr‑Mn合金具有优异的综合力学性能，可广泛应用于航空航天、生物医疗、石油化工、汽车工业和海洋工程等诸多重要领域。

技术领域

本发明涉及钛合金材料领域，具体为一种高热稳定性等轴纳米晶Ti-Zr-Mn合金及其制备方法。

背景技术

钛合金以其高强度、低密度、优异的耐腐蚀性能和良好的生物相容性，被广泛应用于航空航天、生物医疗、石油化工、汽车工业和海洋工程等重要领域。随着近年来经济技术的飞速发展，需要研发具有更高性能的新型钛合金材料。与传统粗晶钛合金相比，纳米晶钛合金具有更高的强度与塑性、较大的疲劳强度、高温超塑性等优异的综合力学性能，同时它还具有良好的耐磨性、极佳的生物相容性以及诸多独特的物理化学性能，这些在实际应用中极具吸引力，制备纳米晶钛合金为传统钛合金的性能优化开辟了新途径。

目前，块体纳米晶金属材料的制备主要是通过大塑性变形(SPD)法来实现的。常见的大塑性变形法包括等通道转角挤压(ECAP)、累积复合轧制(ARB)、多向锻造(MF)和高压扭转(HPT)等，这些方法均需要依靠大功率设备及昂贵的模具，所制备材料的尺寸也较小，无法满足规模化工业生产的需要。此外，纳米晶金属材料的组织热稳定性是制约其应用与发展的另一重要瓶颈。当晶粒尺寸细化至纳米级时，材料内界面的数量将远高于传统粗晶材料，界面能的升高使组织热稳定性显著下降，某些纳米晶金属材料甚至可以在室温条件下发生组织回复和晶粒长大，使材料丧失原有优异的性能。

本发明提供了一种高热稳定性的纳米晶Ti-Zr-Mn合金，实现了纳米晶钛合金的低成本和规模化制备，为钛工业的发展带来新的基础与机遇。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高热稳定性的等轴纳米晶Ti-Zr-Mn合金，为实现上述目标，本发明的技术方案是：

一种高热稳定性的等轴纳米晶Ti-Zr-Mn合金，按重量百分比计，该钛合金的化学成分为：Zr：12.0～18.0(优选为14.2～16.5)；Mn：0.01～4.8(优选为2.1～3.6)；余量为Ti。

本发明所述高热稳定性的等轴纳米晶Ti-Zr-Mn合金的制备方法为：采用真空自耗炉熔炼多次，获得原材料铸锭，铸锭修磨后经过1050℃以上开坯锻造、精锻加工成坯，后经热变形获得等轴纳米晶Ti-Zr-Mn合金。

精锻加工所得坯料在870℃以上保温一段时间后，快速冷却至室温，获得纳米板条前驱体；对所得纳米板条前驱体进行热变形，最终获得等轴纳米晶Ti-Zr-Mn合金。

作为优选的技术方案：

在870℃以上，保温时间t＝(3.2-3.7)D min，其中，D为试样的有效厚度，单位为毫米mm。

所得坯料在870℃-1250℃保温一段时间后，快速冷却至室温。

快速冷却的冷却速率在25～300℃/s之间。

所述纳米板条前驱体在温度为650～780℃，应变速率为0.01～2s^-1的范围内进行热变形，总应变量大于等于70％。优选为：热变形温度为670～720℃，应变速率为0.03～0.2s^-1，总应变量为90～95％。

采用本发明所述方法制备所得纳米晶材料的显微组织为等轴α组织，晶粒尺寸在18～150nm之间；在温度为650℃及以下时效5h以内，晶粒不发生粗化长大。