本發明屬于材料加工技術領域，特別涉及一種在金屬鈦表面制備納米孿晶層的方法。

背景技術：

孿晶界是一種特殊的低能態共格晶界，孿晶界兩側的晶格呈鏡面對稱；由于孿晶界與位錯間存在特殊的相互作用，利用納米尺度孿晶界可實現晶體材料的增強增韌；因此，納米孿晶可以明顯提高材料的力學性能和耐腐蝕性能。

強流脈沖電子束是最近幾年發展的一種新型表面改性技術，其作為一種高密度能量源，在材料近表層附近沉積了大量的能量，并且產生了快速加熱和冷卻過程，該過程的循環往復導致了表面復雜的溫度場和應力場的產生，進而導致材料組織發生了明顯變化；由于快速熔化或蒸發加熱，熱應力以及自淬火等過程的產生，導致了表面非平衡結構的形成，例如納米晶，準晶，非晶等亞穩態結構，這些結構的產生提高了材料表面的物理和化學性能。

工業純鈦具有優良的沖壓工藝性能和焊接性能，對熱處理及組織類型不敏感，在令人滿意的塑性條件下具有一定的強度；它的強度主要取決于間隙元素氧、氮的含量。它在海水中具有高的抗腐蝕性能，但在無機酸中較差，一般用于制造在-253～350℃溫度下工作的、受力不大的各種板材零件或鍛件，也可制造鉚釘線材和管材，甚至可以應用于醫學種植體器件等；強流脈沖電子束處理能夠明顯細化工業純鈦表面的組織，從而使得其表面性能得到顯著的提高，盡管國內外文獻報道過強流脈沖電子束處理純鈦的研究，但沒有報道納米孿晶層的制備。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種在金屬鈦表面制備納米孿晶層的方法，將工業純鈦經過軋制和再結晶退火處理形成退火孿晶，然后將電子束施加在經過再結晶退火處理的工業純鈦表面上，從而獲得了納米孿晶，顯著提高了材料的耐腐蝕性。

本發明的方法按以下步驟進行：

1、將海綿鈦放入真空自耗電弧爐的坩堝中，利用控溫儀將溫度調節在300±10℃，預熱海綿鈦至少30分鐘以除去水份，然后將溫度升到1800±10℃，熔煉至少1小時以保證海綿鈦完全熔化，再將熔化的物料澆注到鑄鐵模具內，冷卻至常溫得到工業純鈦鑄錠；

2、加熱工業純鈦鑄錠至800~900℃，保溫0.5~1h，然后熱軋，開軋溫度850~900℃，終軋溫度700~750℃，總壓下量為60~70％，最后再進行再結晶退火處理，退火溫度600~700℃，時間10~50分鐘；退火后冷卻到室溫，獲得鑄錠；

3、利用線切割在鑄錠上切出斷面，然后對斷面進行機械拋光和研磨至表面光亮，再用有機溶劑將其表面清洗干凈，獲得試樣；

4、將試樣置于真空≤6×10^-3Pa條件下，對其表面進行強流脈沖電子束處理，加速電壓為20~25KV，脈沖次數為25次，能量密度為2~4J/cm²，在金屬鈦表面獲得納米孿晶層。

上述步驟（3）的有機溶劑為乙醇或丙酮。

本發明通過工業純鈦的軋制消除冶煉純鈦過程中的鑄造缺陷，以優化其微觀組織結構；通過再結晶退火處理先向工業純鈦中引入退火孿晶，然后對其表面施加強流脈沖電子束處理，從而獲得納米孿晶，使得材料表面的電化學耐腐蝕性明顯提高；并且電子束表面改性工藝是在真空條件下進行，能夠有效避免合金表面被氧化；本發明方法工藝簡單，操作方便，工業純鈦表面形成了大量的納米孿晶，這對于提高材料表面性能具有重要意義和實用價值。

附圖說明

圖1為本發明實施例1中試樣強流脈沖電子束處理前的表面SEM形貌圖；

圖2為本發明實施例1中試樣強流脈沖電子束處理后的表面SEM形貌圖；

圖3為圖2的放大圖；

圖4為本發明實施例2中試樣強流脈沖電子束處理前的表面SEM形貌圖；

圖5為本發明實施例2中試樣強流脈沖電子束處理后的表面SEM形貌圖；

圖6為圖5的放大圖。

具體實施方式

本發明實施例采用的真空自耗電弧爐型號為ZHT100。

本發明實施例中強流脈沖電子束處理采用的設備型號為MMLAB-HOPE-Ⅰ。

本發明實施例中強流脈沖電子束處理時的束斑直徑為30mm，脈沖寬度為0.5~5μs，脈沖間隔為30s。

本發明實施例中的熱軋采用CVC⁺軋機，坯料的尺寸為1280mm×100mm×6000mm。

實施例1

將海綿鈦放入真空自耗電弧爐的坩堝中，利用控溫儀將溫度調節在300±10℃，預熱海綿鈦30分鐘，然后將溫度升到1800±10℃，熔煉1.5小時，再將熔化的物料澆注到鑄鐵模具內，冷卻至常溫得到工業純鈦鑄錠；

加熱工業純鈦鑄錠至800℃，保溫1h，然后熱軋，開軋溫度850℃，終軋溫度700℃，總壓下量為60％，最后再進行再結晶退火處理，退火溫度600℃，時間50分鐘；退火后冷卻到室溫，獲得鑄錠；

利用線切割在鑄錠上切出斷面，然后對斷面進行機械拋光和研磨至表面光亮，再用乙醇將其表面清洗干凈，獲得試樣；

將試樣置于真空度≤6×10^-3Pa條件下，對其表面進行強流脈沖電子束處理，加速電壓為20KV，脈沖次數為25次，能量密度為4J/cm²，在金屬鈦表面獲得納米孿晶層；

試樣強流脈沖電子束處理前的表面SEM形貌如圖1所示，強流脈沖電子束處理后的表面SEM形貌如圖2所示，放大圖如圖3所示；由圖可見，未經電子束處理時試樣表面形成微米級的退火孿晶，其特征為：孿晶面平直，孿晶片較厚，貫穿整個晶粒；而經過25次脈沖處理后孿晶明顯細化到納米級別，而且晶粒也明顯得到細化；

對試樣進行電化學性能測試，腐蝕介質為3.5wt%NaCl溶液，測得強流脈沖電子束處理前的試樣的腐蝕電流密度為29.8μA/cm²，強流脈沖電子束處理后的試樣的腐蝕電流密度為5.15μA/cm²。

實施例2

將海綿鈦放入真空自耗電弧爐的坩堝中，利用控溫儀將溫度調節在300±10℃，預熱海綿鈦40分鐘，然后將溫度升到1800±10℃，熔煉2小時，再將熔化的物料澆注到鑄鐵模具內，冷卻至常溫得到工業純鈦鑄錠；

加熱工業純鈦鑄錠至900℃，保溫0.5h，然后熱軋，開軋溫度900℃，終軋溫度750℃，總壓下量為70％，最后再進行再結晶退火處理，退火溫度700℃，時間10分鐘；退火后冷卻到室溫，獲得鑄錠；

利用線切割在鑄錠上切出斷面，然后對斷面進行機械拋光和研磨至表面光亮，再用丙酮將其表面清洗干凈，獲得試樣；

將試樣置于真空度≤6×10^-3Pa條件下，對其表面進行強流脈沖電子束處理，加速電壓為22KV，脈沖次數為25次，能量密度為3J/cm²，在金屬鈦表面獲得納米孿晶層；試樣強流脈沖電子束處理前的表面SEM形貌如圖4所示，強流脈沖電子束處理后的表面SEM形貌如圖5所示，放大圖如圖6所示；由圖可見，未經電子束處理時合金表面形成微米級的退火孿晶，其特征如下：孿晶面平直，孿晶片較厚，貫穿整個晶粒；而經過25次脈沖處理后孿晶明顯細化到納米級別，而且晶粒也明顯得到細化；

對試樣進行電化學性能測試，腐蝕介質為3.5wt%NaCl溶液，測得強流脈沖電子束處理前的試樣的腐蝕電流密度為31.4μA/cm²，強流脈沖電子束處理后的試樣的腐蝕電流密度為7.26μA/cm²；

電子束處理后的試樣的腐蝕電流密度顯著下降，降低了1個數量級，證明電子束處理后材料表面耐腐蝕性顯著提高。

實施例3

將海綿鈦放入真空自耗電弧爐的坩堝中，利用控溫儀將溫度調節在300±10℃，預熱海綿鈦50分鐘，然后將溫度升到1800±10℃，熔煉1小時，再將熔化的物料澆注到鑄鐵模具內，冷卻至常溫得到工業純鈦鑄錠；

加熱工業純鈦鑄錠至850℃，保溫0.6h，然后熱軋，開軋溫度880℃，終軋溫度720℃，總壓下量為65％，最后再進行再結晶退火處理，退火溫度650℃，時間30分鐘；退火后冷卻到室溫，獲得鑄錠；

利用線切割在鑄錠上切出斷面，然后對斷面進行機械拋光和研磨至表面光亮，再用丙酮將其表面清洗干凈，獲得試樣；

將試樣置于真空度≤6×10^-3Pa條件下，對其表面進行強流脈沖電子束處理，加速電壓為25KV，脈沖次數為25次，能量密度為2J/cm²，在金屬鈦表面獲得納米孿晶層。