[发明专利]一种粗晶-细晶复合结构钛合金及其制备方法和用途

说明书

本发明提供一种粗晶‑细晶复合结构钛合金及其制备方法和用途，所述粗晶‑细晶复合结构钛合金具有呈交替分布的粗晶层和细晶层；所述制备方法包括将钛合金粉末进行渗氮处理后，在氮气氛围中进行选区激光熔化成型及退火处理，得到了力学性能优异的粗晶‑细晶复合结构钛合金。本发明所述粗晶‑细晶复合结构钛合金通过细晶层提供高强度，通过粗晶层提供高塑性，通过粗/细晶界面的背应力强化以及间隙氮原子的固溶强化进一步提升强度，从而获得优异的强韧性；所述制备方法工艺流程短，生产能耗低，适合制备高强韧、形状复杂的钛合金材料产品，具有很好的工业化应用前景。

技术领域

本发明涉及钛合金技术领域，尤其涉及一种粗晶-细晶复合结构钛合金及其制备方法和用途。

背景技术

钛合金具有比强度高、损伤容限高、耐磨耐蚀等优点，可减轻构件重量，提升工作效能，在航空航天及国防装备领域具有广泛用途。细化晶粒是钛合金的主要强化手段之一，通过细化晶粒可以增加合金内晶界密度，从而有效阻碍位错运动，引起材料强度提高。但是，细化晶粒在强化钛合金的同时容易引起塑性显著降低。在细晶材料中引入一定量的粗晶，形成粗晶-细晶复合结构，有利于提升材料的强韧性。其主要机制是由细晶提供高强度，由粗晶提供高塑性。同时，粗晶区和细晶区的界面在加载过程可以产生背应力强化效果，进一步提升材料强度。

CN111793778A公开了一种制备高强塑性混晶结构镁合金的方法，通过大塑性变形配合多道次轧制，制备了粗晶-细晶复合结构的高强韧镁合金。

CN114086042A公开了一种微剪切带诱导形成多样混晶结构的高强韧铝合金及其制备方法和应用，采用高温均质固溶处理、ECAP加工和多道次室温轧制，制备得到了微剪切带诱导形成多样混晶结构的高强韧铝合金，其中具有粗晶-细晶复合结构。

但是，上述两种方法均存在粗/细晶比例及分布不可控的问题，难以进行稳定生产的问题。

CN109201737A公开了一种心部为超细晶而表层为粗晶的梯度结构材料的轧制制备方法，主要通过将细晶带材和粗晶带材进行叠轧复合，形成粗晶-细晶复合结构。该制备方法可以制备混晶铝合金、混晶铜合金、混晶钛合金等，且能实现粗/细晶比例及分布可控。但是该制备方法的缺点在于粗晶区与细晶区的复合界面存在大量缺陷，加载过程易发生界面失效。

CN107937753A公开了一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金及制法，主要通过将原始粗粉和球磨后的超细粉混合，并进行热压烧结从而形成粗晶-细晶复合结构。该方法虽能解决粗/细晶比例及界面问题，但是在长时间的球磨过程容易引入杂质，造成材料性能下降。

此外，上述制备方法均存在工艺流程长，生产能耗高的问题。

因此，开发一种既能够很好地控制粗/细晶比例及分布，又能提升材料性能的粗晶-细晶复合结构钛合金及其制备方法具有重要意义。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种粗晶-细晶复合结构钛合金及其制备方法和用途，通过对钛合金粉末进行渗氮处理在钛合金内部引入间隙氮原子后，通过选区激光熔化成型，制备得到了具有粗晶层和细晶层交替分布结构的钛合金，从而提高了钛合金的强韧性；所述制备方法简单，适于直接成型复杂形状产品。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种粗晶-细晶复合结构钛合金，所述粗晶-细晶复合结构钛合金具有呈交替分布的粗晶层和细晶层。

本发明所述的粗晶-细晶复合结构钛合金具有呈交替分布的粗晶层和细晶层，其中细晶层提供高强度，粗晶层提供高塑性，粗晶层与细晶层的界面在加载过程由于存在应变梯度，可以产生背应力强化效果，进一步提升钛合金强度，使得钛合金获得优异的强韧性。

本发明中的粗晶是指晶粒度为5-20μm，细晶是指晶粒度为1-5μm。