專利名稱：扭轉剪切復合擠壓制備鈦合金微/納米塊體方法
技術領域：
本發(fā)明屬于通過機械加工制備高性能金屬材料技術領域，是一種扭轉剪切復合擠壓劇烈塑性成形細化鈦合金晶粒為微納米數(shù)量級以提高其綜合力學及機械性能的方法。
背景技術：
鈦及鈦合金具有密度小、比強度比剛度高、耐腐蝕性好、高溫力學性能優(yōu)異、抗疲勞和蠕變性能突出、無磁性可焊接等優(yōu)點，在航空、航天、化工、兵器、艦船、能源等領域都已得到廣泛應用。特別是在航空航天領域，鈦合金已成為先進飛機和航空發(fā)動機的主要結構材料之一，也成為衡量飛機選材先進程度的重要標志。但與此同時，航空航天技術的不斷發(fā)展也對鈦合金作為結構材料的綜合機械性能提出了更高的要求。納米技術是上世紀90年代初開始發(fā)展的新興科技，主要是探索介于宏微觀之間但更接近于微觀的納米尺度物質體系的運動規(guī)律及其相互作用關系。由于其對信息科學、 生命科學及材料科學等科學技術的巨大推動作用而受到世界各國的高度重視并得以迅猛發(fā)展，目前在材料、信息、能源、環(huán)境、生命以及軍事等領域都已得到廣泛應用。金屬納米多晶體是納米材料學與納米機械學的交叉研究領域，主要研究晶粒尺寸 1 IOOnm之間的金屬多晶體的各種組織力學性能、特征及規(guī)律，是現(xiàn)代納米技術的重要組成部分。由于納米多晶體包含的原子數(shù)介于IO2 IO7之間，空位、間隙置換原子、位錯層錯等各種微觀熱動力學統(tǒng)計缺陷不再具有宏觀統(tǒng)計規(guī)律，晶體內(nèi)部的材料微觀缺陷顯著降低，部分晶體甚至接近于完整晶體，表現(xiàn)出極高的材料強度特征，其中彈性剛度及塑性強度的提高幅度可以達到1000%。顯然，如果能夠通過納米化的方法制備高性能鈦合金塊體材料則對于促進鈦合金作為工程結構材料，尤其是航空、航天、裝甲等先進結構材料的應用將具有重要意義。但目前金屬納米多晶體的制備方法仍處于探索階段，常用的有原位生成、粉末冶金、非晶晶化、電沉積、凝固控制及劇烈塑性成形等方法。與基于物理化學過程的制備方法相比，劇烈塑性成形(Severe Plastic Deformation, SPD)制備的納米多晶體具有組織致密、無微孔隙及界面弱連接、不易引入雜質、界面組織清潔及無顆粒團聚等優(yōu)點。但與納米顆粒固化制備的納米晶塊體相比，目前劇烈塑性成形制備的納米晶塊體存在納米晶尺寸偏大(200nm 300nm)、重復變形過程中納米晶直徑存在飽和值、強化幅度偏低(宏觀力學性能提高幅度僅為100% 120% )等問題，無法充分發(fā)揮納米晶的高強化特征。造成這些現(xiàn)象的主要原因是變形過程中劇烈的剪切應力在引起晶粒沿剪切方向發(fā)生劇烈相對滑動的同時，剪切面兩側材料的晶內(nèi)微觀塑性行為無法協(xié)調(diào)原子間鍵合關系的重新構建，晶粒細化表現(xiàn)為剪斷型細化，形成大量以微裂紋微孔洞為代表的微觀缺陷。尤其對于強化相彌散分布及強化元素原子半徑與基體原子半徑差別較大的固溶強化合金，其微缺陷的形核生長及分布表現(xiàn)得更為廣泛和迅速。此外由于劇烈塑性成形制備納米晶體以剪切變形為主，變形區(qū)材料靜水壓力幾乎為零，劇烈剪切所引起的微缺陷無法得到及時的閉合和修復，造成通過以等徑角擠為代表的劇烈塑性變形制備的微納米多晶體材料的宏觀
3力學性能有時不僅沒有顯著提高，甚至還會低于粗晶，嚴重影響了其作為結構材料的應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前劇烈塑性成形制備微納米多晶體存在納米晶直徑飽和及強化幅度偏低，無法充分發(fā)揮納米晶高強化特征的問題，以被稱為“太空金屬”和“海洋金屬”的鈦合金為主要對象，給出了一種復合塑性成形方法制備工程結構用高質量微納米鈦合金塊體材料的新方法，具有既能發(fā)揮劇烈塑性成形強烈剪切變形細化晶粒的能力，同時又能通過提高變形區(qū)靜水壓力閉合成形過程中的微缺陷，顯著提高所制備的鈦合金微納米晶質量。本發(fā)明主要包括以下內(nèi)容第一步鈦合金坯料的制備及模具的制造，針對最終鈦合金材料幾何尺寸加工制造相應的扭轉擠壓及剪切擠壓模具；第二步扭轉擠壓劇烈塑性成形將鈦合金坯料置于扭轉擠壓擠壓筒中，通過相應的擠壓設備配合扭轉擠壓模具進行扭轉擠壓劇烈塑性變形，依托擠壓過程中以擠壓軸為中心的劇烈軸對稱剪切變形，在不改變坯料截面幾何形狀的條件下趨使鈦合金晶粒發(fā)生強烈的扭轉變形，通過位錯的劇烈運動快速形成位錯胞和亞晶，形成對鈦合金晶粒的初次細化；第三步取樣分析，力學性能測試，及微觀組織觀察對于扭轉擠壓變形后的組織進行顯微分析，確定晶粒尺寸的變化；第四步剪切擠壓劇烈塑性成形，將經(jīng)扭轉擠壓變形后的鈦合金坯料置于剪切擠壓擠壓筒中，通過相應的設備并配合剪切擠壓模具進行剪切擠壓劇烈塑性變形；通過擠壓過程中以擠壓軸水平面為對稱面的劇烈錯動型剪切變形，在不改變坯料截面幾何形狀的條件下趨使鈦合金晶粒發(fā)生強烈的錯動變形，依托位錯的進一步劇烈運動，驅動扭轉擠壓形成的位錯胞和亞晶發(fā)生轉動及進一步變形，完成對鈦合金晶粒的再次細化；第五步取樣分析，力學性能測試，及微觀組織觀察；對于剪切擠壓變形后的組織進行顯微分析，確定晶粒尺寸的變化；第六步劇烈塑性成形工藝的循環(huán)復合結合上述扭轉擠壓及剪切擠壓的微觀組織特征，進行劇烈塑性成形工藝的循環(huán)復合。本發(fā)明的工作原理通過將扭轉擠壓劇烈塑性成形與剪切擠壓劇烈塑性成形工藝的復合，發(fā)揮兩種工藝擠壓方向變形前后一致，變形區(qū)材料承受靜水壓力，可以修復微觀材料缺陷，同時扭轉擠壓為以擠壓軸為中心的軸對稱剪切變形，剪切擠壓為垂直于擠壓軸的剪切變形，兩種塑性變形剪切方向不同，具有細化晶粒的互補性，通過對兩種擠壓加工道次的優(yōu)化組合，制備高性能微納米鈦合金塊體材料。鈦合金材料經(jīng)鑄造或鑄造與鍛造結合加工為棒材坯料，通過多道次扭轉擠壓形成具有以擠壓軸為中心的旋轉型細晶，在此基礎上進行剪切擠壓變形，對拉長的旋轉型細晶進行垂直于擠壓軸方向的反復剪切變形，形成進一步的細化晶粒。通過對剪切擠壓與扭轉擠壓多道次的優(yōu)化組合，加工高質量細晶高強鈦合金微納米多晶體。
具體實施例方式本發(fā)明具體實施過程中涉及鈦合金坯料的制備、擠壓設備的選擇、劇烈剪切及劇烈擠壓模具的制造、復合劇烈塑性成形工藝的設計制定、劇烈塑性成形擠壓變形以及經(jīng)劇烈塑性成形后的材料組織結構及性能的測試分析，主要包括一 鈦合金坯料的制備、設備選型及模具的制造。根據(jù)最終成形鈦合金構件的幾何尺寸設計加工相應的鈦合金坯料。由于扭轉擠壓及剪切擠壓均不改變材料的截面形狀，可以反復變形，因此坯料幾何尺寸可以與最終所需鈦合金幾何尺寸相同，僅留少量加工余量即可。同時根據(jù)最終成形鈦合金構件的結構完成擠壓力的計算及擠壓設備的選型，并加工制造相應的扭轉擠壓及剪切擠壓模具各一套或多套。二 復合劇烈塑性成形工藝設計制定。根據(jù)材料的宏微觀結構及組織特點，結合實驗結果設計制定相應的復合劇烈塑性成形工藝。主要包括復合劇烈塑性成形順序及加工道次。由于單一劇烈塑性成形的晶粒細化存在飽和，因此相同道次擠壓盡量不超過4次。三扭轉/擠壓復合劇烈塑性成形。根據(jù)復合劇烈塑性成形工藝進行扭轉/擠壓復合劇烈塑性成形，依托交替的劇烈軸對稱剪切變形及扭轉剪切變形進行晶粒細化。在此需要注意的是劇烈塑性成形過程需要配合良好的潤滑，可選用二硫化鉬或高性能納米潤滑劑。四材料組織性能測試分析。對完成加工過程的鈦合金棒材進行宏觀材料性能及微觀組織測試，分析最終材料性能及組織特點，對于未滿足設計要求的棒材進行進一步復合劇烈塑性成形加工。五最終成形件的表面處理、截斷及后繼加工。對于經(jīng)測試分析的鈦合金棒材進行表面處理，并根據(jù)零件尺寸進行截斷及后繼加工。實施例1邊長IOmm正方形截面制備超細晶TC系列鈦合金型材。由于TC系列鈦合金微觀組織為α+β相，強度高，可熱處理強化，熱壓加工性好，表現(xiàn)有較好的綜合力學性能，其微納米多晶塊體制備可采用多道次扭轉擠壓與多道次剪切擠壓復合的方式進行加工。首先制備截面為正方形的鈦合金棒材。考慮到表面質量及后繼表面處理加工精度的要求，可選擇IlXllmm的正方形截面鈦合金棒材，導r = Imm圓角，長度可根據(jù)實際需求確定。其次計算擠壓力，根據(jù)擠壓力及生產(chǎn)條件選擇擠壓設備并加工制造相應的扭轉擠壓及剪切擠壓模具，在滿足擠壓噸位的要求下，擠壓設備既可選用立式也可選用臥式擠壓機。 再次進行復合劇烈塑性成形工藝設計。對于TC系列合金可選用多道次扭轉擠壓配合多道次剪切擠壓的復合劇烈塑性成形工藝。擠壓道次可選擇3-4道次扭轉擠壓后配合3-4道次剪切擠壓。在此基礎上進行復合擠壓劇烈塑性成形，潤滑可選用二硫化鉬或高性能納米潤滑劑。最終通過組織性能測試確定微觀組織滿足設計要求后，如對表面質量有要求則可通過機械加工方式對所加工棒材進行表面處理，否則正方形截面TC系列鈦合金型材材微納米多晶塊體可直接交貨。需要指出的是，對于常規(guī)鈦合金，如果對微納米多晶體質量要求不是很高，為節(jié)省力學性能測試及微觀組織的時間，可以采用四道次扭轉擠壓配合四道次剪切擠壓的方法進行加工。實施例2制備10mm*20mm矩形截面TA系列鈦合金型材微納米多晶體。TA系列鈦合金高溫性能好，組織穩(wěn)定，焊接性好，是耐熱鈦合金的主要組成部分，但常溫強度低，塑性不夠高， 劇烈塑性成形可選擇扭轉擠壓_剪切擠壓_扭轉擠壓_剪切擠壓的循環(huán)復合。首先制備矩形截面的鈦合金型材。可選擇llX22mm的矩形截面鈦合金棒材，導r =Imm圓角，長度根據(jù)實際需求確定。此后進行擠壓力的計算，并根據(jù)擠壓力及生產(chǎn)條件選擇擠壓設備并加工制造相應的扭轉擠壓及剪切擠壓模具，擠壓設備既可選用立式也可選用臥式擠壓機。在此基礎上設計復合劇烈塑性成形工藝，可選擇扭轉擠壓_剪切擠壓_扭轉擠壓-剪切擠壓的循環(huán)復合。根據(jù)擠壓工藝進行復合擠壓劇烈塑性成形，加工制造TA系列鈦合金型材微納米多晶體。需要注意的是，擠壓過程中由于坯料的長短邊金屬流動不一致，因此每道次擠壓后材料需旋轉180度進行下一道次的變形，潤滑可選用二硫化鉬或高性能納米潤滑劑。在此基礎上，通過組織性能測試確定微觀組織，如組織性能滿足要求則可通過機械加工方式對所加工棒材進行表面處理并按要求截斷交貨。
權利要求
1.扭轉剪切復合擠壓制備鈦合金微/納米塊體方法，其特征在于 第一步鈦合金坯料的制備及模具的制造，針對最終鈦合金材料幾何尺寸加工制造相應的扭轉擠壓及剪切擠壓模具；第二步扭轉擠壓劇烈塑性成形將鈦合金坯料置于扭轉擠壓擠壓筒中，通過相應的擠壓設備配合扭轉擠壓模具進行扭轉擠壓劇烈塑性變形，依托擠壓過程中以擠壓軸為中心的劇烈軸對稱剪切變形，在不改變坯料截面幾何形狀的條件下趨使鈦合金晶粒發(fā)生強烈的扭轉變形，通過位錯的劇烈運動快速形成位錯胞和亞晶，形成對鈦合金晶粒的初次細化；第三步取樣分析，力學性能測試，及微觀組織觀察對于扭轉擠壓變形后的組織進行顯微分析，確定晶粒尺寸的變化；第四步剪切擠壓劇烈塑性成形，將經(jīng)扭轉擠壓變形后的鈦合金坯料置于剪切擠壓擠壓筒中，通過相應的設備并配合剪切擠壓模具進行剪切擠壓劇烈塑性變形；通過擠壓過程中以擠壓軸水平面為對稱面的劇烈錯動型剪切變形，在不改變坯料截面幾何形狀的條件下趨使鈦合金晶粒發(fā)生強烈的錯動變形，依托位錯的進一步劇烈運動，驅動扭轉擠壓形成的位錯胞和亞晶發(fā)生轉動及進一步變形，完成對鈦合金晶粒的再次細化；第五步取樣分析，力學性能測試，及微觀組織觀察；對于剪切擠壓變形后的組織進行顯微分析，確定晶粒尺寸的變化；第六步劇烈塑性成形工藝的循環(huán)復合結合上述扭轉擠壓及剪切擠壓的微觀組織特征，進行劇烈塑性成形工藝的循環(huán)復合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種扭轉剪切復合擠壓制備鈦合金微/納米塊體方法，屬于鈦合金微納米塊體制備技術領域。通過將扭轉擠壓劇烈塑性成形與剪切擠壓劇烈塑性成形工藝的復合，發(fā)揮兩種工藝擠壓方向變形前后一致，變形區(qū)材料承受靜水壓力，修復微觀材料缺陷，同時扭轉擠壓為以擠壓軸為中心的軸對稱剪切變形，剪切擠壓為垂直于擠壓軸的剪切變形，兩種塑性變形剪切方向不同，具有細化晶粒的互補性，通過對兩種擠壓加工道次的優(yōu)化組合，制備高性能微納米鈦合金塊體材料，在此基礎上進行剪切擠壓變形，對拉長的旋轉型細晶進行垂直于擠壓軸方向的反復剪切變形，形成進一步的細化晶粒。
文檔編號C22F1/18GK102234752SQ20111014714
公開日2011年11月9日 申請日期2011年6月2日 優(yōu)先權日2011年6月2日
發(fā)明者張妍婧, 李洪洋, 李薇薇, 陳成 申請人:北京理工大學