一种易细化晶粒的钛合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钛合金及其制备方法，具体是一种TiNb基超细晶及纳米晶钛合 金及其制备方法，尤其是一种低层错能、大尺寸超细晶钛合金或纳米晶钛合金及其制备方 法，属于新材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 超细晶（晶粒尺寸介于(Xlym~Iym之间）和纳米晶（晶粒尺寸小于IOOnm) 材料由于其独特的结构而产生的小尺寸效应、表面界面效应、宏观量子隧道效应等，使其表 现出一系列与普通多晶体和非晶态固体有本质差别的力学、光、电、声、磁等性能。例如，高 能量纳米材料、纳米隐身材料、纳米磁性材料在电子信息、生物工程、航空航天、国防科技及 日常生活中有着重要用途。
[0003] 同时，钛合金具有低密度、高强度、耐腐蚀等系列优点。因此，具有超细晶/纳米晶 的钛合金材料具有更为广阔的应用前景。因大尺寸超细晶/纳米材料能更好地满足工业结 构件的使用要求而成为纳米材料研宄和开发中的重要部分，而纳米材料制备技术是纳米材 料发展和应用的关键。
[0004] 目前，制备纳米材料的方法有许多，一般可分为"由小到大"(Bottom up)的合成法 和"由大到小"（Top down)的细化法。
[0005] 所谓"由小到大"合成法就是先制备纳米小颗粒或纳米粉，再通过烧结和压制等工 艺获得块体纳米材料，如惰性气体蒸发原位加压法、机械合金及高压凝固法、机械诱导粉末 冶金法等均属于这一类，20世纪90年代发展起来的电沉积法从广义上来说也属于此类。这 类方法在制备块体纳米材料时普遍存在以下缺点：
[0006] (1)制备的块体纳米材料较易被污染，污染源主要包括制粉过程中外界带来的杂 质和纳米粉自身的氧化；
[0007] (2)制备的块体纳米材料存在空隙，不致密，从而严重影响纳米材料的优异性能。
[0008] "由大到小"的细化法是将块体粗晶材料通过一些特殊工艺和设备处理使材料结 构细化至纳米级，如非晶晶化法、大塑性变形法、激冷法等便属于这一类。与合成法相比，这 类方法从根本上避免了合成法难以解决的粉末污染和残留孔隙的危害，可直接制备出二维 和三维纳米晶材料。其中，适用材料范围广且能有效地制备块体纳米材料的工艺方法当属 大塑性变形法。但它也有一定的局限性，主要表现在所制备材料结构的均匀性较差，晶粒 仍然不够细（相对于纳米晶结构），就工业实用性方面来说材料尺寸也不够大，目前报道的 块体纳米晶纯钛三维尺寸最大只有25mmX25mmX 120mm。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种钛合金及其制备方法，该钛合金组份经 优化设计后可容易获得超细晶钛合金或纳米晶钛合金，突破了现有钛合金纳米材料的局限 性；进一步优选地，可容易获得大尺寸的超细晶钛合金或纳米晶钛合金。
[0010] 进一步优选地，采用本发明设计的钛合金组份，可不用借助等径角挤压、高压扭 转、叠轧等复杂且不易控制的塑性变形工艺，即可获得超细晶钛合金或纳米晶钛合金；尤其 是，通过低成本制备工艺可获得大尺寸的超细晶钛合金或纳米晶钛合金，从而突破了现有 技术制备钛合金纳米材料的局限性，降低了工艺控制难度及制造成本，提高了生产效率，具 有广阔的应用前景。
[0011] 更优选的，本发明中针对优化设计的钛合金成分，可采用低成本、简单的热变形制 备步骤使合金组织均匀且细化晶粒至微米级，再通过固溶处理、冷加工、时效处理最终制备 出组织稳定的大尺寸超细晶钛合金或纳米晶钛合金，其宽度达到300mm~1500_、长度可 达到Im以上，并且清洁、致密、结构均匀，可用于航空航天、国防科技、电子信息等领域的纳 米隐身材料、高能量纳米材料、纳米磁性材料。
[0012] 众所周知，超细晶/纳米晶的晶粒细化机制主要有位错细化机制、孪晶细化机制 以及相变细化机制等，上述细化机制与材料的层错能（是指产生单位面积层错所需要的能 量）有密切关系。对于中、高层错能材料，主要是位错分割机制；对于低层错能材料，形变 孪晶在晶粒细化过程中起非常重要的作用，根据材料化学成分的不同也可产生马氏体相 变。而低层错能材料的孪晶碎化机制结合位错分割机制可获得比中、高层错能材料更细的 晶粒。
[0013] 因此，本发明提供一种易细化晶粒的钛合金，超细晶钛合金或纳米晶钛合金，所述 钛合金相成分主要为β相，基本不含有应力诱发马氏体α "相；优选所述钛合金中应力诱 发马氏体α"相不超过5Vol %，更优选不超过2Vol %。本发明中所涉及的"基本不含有"， 实质上含义为不超过某一数值，例如不超过5Vol %，当然，其含义也可以理解为极少量或没 有。
[0014] 优选地，所述钛合金的组份及重量百分比为：Nb :33wt%~40wt% ;0 :0· 3wt%~ 0· 5wt% ;优选O :0· 3wt%~0· 4wt%，其中0· 3wt%点值除外；余量为Ti。该成分可以利用 常规的多种加工方法，获得主要为β相的钛合金相成分，基本不含有应力诱发马氏体α" 相，优选所述钛合金中应力诱发马氏体α"相不超过5Vol%，更优选不超过2Vol%。
[0015] 优选地，通过大量分析研宄得出，所述钛合金的屈服强度σ ^与Nb、0的重量百分 数满足下式（1):
[0016] σ 0 2= -6127. 43+405. 14χ-1921. 25y-5. 62x 2+4713. 94y2-l. 57xy (I)
[0017] 式⑴中：x为Nb的重量百分数，x = 33~40 ;y为O的重量百分数，y = 0. 3~ 0. 4 ；
[0018] 〇。2单位：MPa。
[0019] 更优选地，上述相成分特征确保了该钛合金具有的抗拉强度σ b不低于l〇〇〇MPa、 屈服强度Gtl 2不低于900MPa、延伸率δ 5高于11 %、断面收缩率Φ不低于70%。
[0020] 优选地，超细晶晶粒尺寸介于0. 1 μπι~1 μL?之间，纳米晶晶粒尺寸小于100nm。
[0021] 更优选地，该钛合金层错能不高于200mJ/cm2。
[0022] 本发明还提供一种易细化晶粒的钛合金，所述钛合金的组份及重量百分比为：Nb : 33wt%~40wt% ;0 :0· 3wt%~0· 5wt%;以及选自以下元素组：0 ~3wt% V、0 ~lwt% Mo、 0~3wt% A1、0~3wt% Sn、0~4wt% Zr中的任一种或几种，余量为Ti。
[0023] 进一步地，优选0 :0· 3wt~0· 4wt%，其中0· 3wt%点值除外。
[0024] 进一步地，所述钛合金的[Al]当量为2· 5~6, [Mo]当量为9· 17~12，
[0025] [Al]当4计算公式为：
[0026] [AlJa4 = % Al+% Sn/3+% Zr/6+% 0X10 ；
[0027] [Mo]当量计算公式为：
[0028] [Mo] = % Mo+% Nb/3. 6+% V/l. 5 ；
[0029] 式中％表示各元素的重量百分比。
[0030] 进一步优选以下元素组V :0· 5wt%~3wt% ;A1 :0~2wt%，其中不含2wt%端点 值；Sn :lwt%~3wt% ;Zr :lwt%~4wt%中的一种或几种。
[0031] 进一步地，所述易细化晶粒的钛合金的平均晶粒尺寸为IOOnm~300nm。
[0032] 进一步地，所述易细化晶粒的钛合金的平均晶粒尺寸为IOnm~80nm，优选IOnm~ 60nm，更优选 IOnm ~50nm、IOnm ~40nm、IOnm ~30nm。
[0033] 优选地，所述钛合金相成分主要为β相，基本不含有应力诱发马氏体α "相；优选 所述钛合金中应力诱发马氏体α "相不超过5Vol %，更优选不超过2Vol %。
[0034] 优选地，上述相成分特征确保了该钛合金具有的抗拉强度〇 b不低于lOOOMPa、屈 服强度σα2不低于900MPa、延伸率δ 5高于11%、断面收缩率φ不低于70%。
[0035] 优选地，所述钛合金晶粒内具有取向孪晶组织，孪晶片间距为5nm~30nm，孪晶界 处聚集形成位错缠结。
[0036] 通过上述成份优化设计，作为β相稳定元素的Nb、Mo和V含量以及[Mo]Si获得 最佳临界成分，确保钛合金相成分基本上为β相，使孪生机制在加工变形过程发挥作用， 充分细化晶粒，获得超细晶/纳米晶；同时，作为α相稳定元素的Al、0、Zr、Sn以及[Al] s 4获得最佳临界成分，抑制应力诱发马氏体α "相，确保钛合金保持较高强度和良好的基体 塑性，可使孪生变形能够一直持续，从而达到充分碎化晶粒的目的。
[0037] 经上述成分优化设计的钛合金表现出较常规Ti-Nb系钛合金、Ti-Al系钛合金