一种实现双相钛合金管状零件内外表面纳米化结构的方法
【专利摘要】本发明提供了一种实现双相钛合金管状零件内外表面纳米化结构的方法，利用了机械高能球磨的优势，通过改装球磨罐体，实现对管状零件的表面纳米化处理。本发明球磨转速选用300 r/min～400 r/min，球磨时间选用10 h～20 h，球磨介质为硬质合金钢球，质量为300 g～400 g，球磨介质半径为Ф6mm～Ф15mm。通过本发明，在双相钛合金表面可获得厚度在10?20μm的纳米晶结构层。本发明工艺简单，成本低廉，且获得的产品质量较高。
【专利说明】
一种实现双相钛合金管状零件内外表面纳米化结构的方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及金属材料表面处理技术领域，具体是一种实现双相钛合金管状零件内外表面纳米化结构的方法。【背景技术】
[0002]钛合金具有很多优异的性质，如高比强度、高耐热性能、生物相容性以及优良的抗蚀性等，并已在航空、造船、医疗等领域获得广泛应用。无论怎样，钛合金的导热性和耐磨损性相对较差，从而也限制了它的一些应用场合。通过对其表面进行纳米化处理，可以有效改善其表面物理化学性质以及力学性能，从而增强其对应用环境的适应性。研究表明，通过对工业纯钛表面进行纳米化处理，其表面硬度可以提高35%，弹性模量提高15%，表面摩擦系数下降约50%。对于0型钛合金而言，如T1-25Nb-3M〇-3Zr-2Sn合金，表面纳米化后则可有效提高其生物医学性能。在双相钛合金的研究中也显示出显著增强的表面力学性能以及耐腐蚀性能。目前，对于单相钛合金的表面纳米化机制已经被提出，对于a型钛合金(由于其为密排六方结构)主要借助孪生系统的交互作用、密排位错墙的形成以及微区成核等变化来实现表面晶粒的纳米化;对于0型钛合金，考虑到其为体心立方结构(具有较多滑移系统)，其表面结构的纳米化则主要依靠位错缠结、位错胞等亚结构的形成以及形变再结晶的作用。但对于双相钛合金的表面纳米化研究相对还较少，特别对于双相钛合金中各相在机械形变过程中的相互协调作用以及两相的相对含量对最终表面纳米化结构形成的影响机制还有待进一步研究。不管怎样，如何在双相钛合金表面获得良好的纳米结构层是对上述研究工作及应用顺利展开的关键所在。
[0003]当前，在块状粗晶材料上获得纳米结构表层主要有三种方式:表面涂层或沉积、表面自身纳米化和混合纳米化方式。对于表面涂层或沉积，表层与基体之间存在的界面不可避免，往往会发生开裂现象，此外外形尺寸与处理前相比有所增加导致尺寸精度下降。表面自身纳米化则很好地规避了上述的缺点。现行最为广泛使用的表面自身纳米化方法有表面机械研磨(SMAT)、超音速颗粒轰击法、气动喷丸法等，这些方法主要通过短时间输入大量能量以造成样品表面产生严重的塑性变形而实现纳米化，但会导致表面平整性破坏以及粗糙度增大，同时有些方法存在成本较高的缺陷。另外一方面，对于一些特殊的零件，如管状零件，欲实现其表面均匀纳米化，通过上述方法将很难实现。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种实现双相钛合金管状零件内外表面纳米化结构的方法，通过机械合金化方法对经改装的球磨罐实施高能球磨，从而实现双相钛合金管状零件表面的纳米化，操作简单，投资少，效率高，能耗低，无污染，易于实现工业化生产。
[0005]本发明包括以下步骤:1)机加工出双相钛合金管状零件，并对其表面打磨并用酒精清洗，之后进行扩散退火处理；2)对双相钛合金管状零件内表面进行处理；2.1)选取直径与双相钛合金管状零件相同，高度为双相钛合金管状零件2-3倍的球磨罐进行改造，将球磨罐中段部分切掉与双相钛合金管状零件高度相同的管状部段；2.2)将双相钛合金管状零件与切割剩余的球磨罐上下两个部段通过销钉进行组装，在连接处放入橡皮圈保证连接处的气密性；2.3)用酒精对双相钛合金管状零件内表面多次清洗，之后烘干，再放入直径大小不等的钢球若干，在优化的工艺参数下进行高能球磨；同时为保证球磨阶段不发生氧化，向球磨罐中通入氩气作为保护气氛；3)对双相钛合金管状零件外表面进行处理；3.1)选取直径为双相钛合金管状零件1.5-2倍，高度为与双相钛合金管状零件等高的球磨罐；3.2)将双相钛合金管状零件放入球磨罐中心部位，双相钛合金管状零件底部通过销钉与球磨罐进行组装，在连接处放入橡皮圈保证连接处的气密性；3.3)用酒精对双相钛合金管状零件外表面多次清洗，之后烘干，再向球磨罐中放入直径大小不等的钢球若干，进行高能球磨；同时为保证球磨阶段不发生氧化，向球磨罐中通入氩气作为保护气氛。
[0006]进一步改进，所述的双相钛合金管状零件选用的为含不同质量分数13相双相钛合金1^1、1^2、1〇、1^4中的任意一种，初始€[晶粒平均大小为5-10仰1，初始|3晶粒平均大小为2-5um〇
[0007]进一步改进，步骤1)所述的扩散退火处理，具体实施为等温退火800-860 °C保温 0.8-1.2h，随炉冷却至500-560 °C保温1.2-1.5h，而后空冷，退火在真空或者氩气气氛环境中进行。[00〇8] 进一步改进，步骤2.3)或步骤3.3)中所述的钢球，其直径大小包括? 6 mm，? 8 mm和? 10 mm三种，其对应的数量比例为3?4:1.5?2.5:1，钢球总重量在300?400 g之间。
[0009]进一步改进，步骤2.3)或步骤3.3)中所述的高能球磨工艺为，球磨转速在300?400 r/min，球磨时间控制在10-20 h，球磨每20 min停转10 min。
[0010]本发明有益效果在于:1、实现金属材料表面纳米化的方法，通过对预处理后的金属材料采用机械高能球磨的工艺方法，利用磨球对材料表面的摩擦和撞击的耦合作用，在成功获得表面纳米晶层之外， 具有更小的尺寸变形以及表面粗糙度；2、特别适用于管状零件内外表面的纳米化处理并为后续进一步表面处理(如渗氮、涂层制备等)提供更好的结合;此外该方法操作简单，投资少，效率高，能耗低，无污染，易于实现工业化生产。【附图说明】
[0011]图1是实施例1-3中双相钛合金管状零件内表面进行纳米化的示意图图2是实施例4中双相钛合金管状零件外表面进行纳米化的示意图图3是实施例1中在双相钛合金管状零件内表面所获得的纳米层500倍光学照片图4是实施例1中在双相钛合金管状零件内表面所获得的纳米层300k倍透射照片图5是实施例2中在双相钛合金管状零件内表面所获得的纳米层500倍光学照片图6是实施例2中在双相钛合金管状零件内表面所获得的纳米层300k倍透射照片图7是实施例3中在双相钛合金管状零件内表面所获得的纳米层500倍光学照片图8是实施例3中在双相钛合金管状零件内表面所获得的纳米层300k倍透射照片图9是实施例4中在双相钛合金管状零件内表面所获得的纳米层500倍光学照片图10是实施例4中在双相钛合金管状零件内表面所获得的纳米层300k倍透射照片。【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0013]实施例1:本实施例提供一种实现双相钛合金管状零件内表面纳米化结构的方法， 具体实施方法表现为对球磨罐的改装、双相钛合金管状零件前处理以及后续的机械高能球磨:(1)机加工出?100mmX40mm的TC1管状零件2(初始a晶粒平均大小为5mi，初始晶粒平均大小为3wii)，并对其表面打磨并用酒精清洗至表面光亮洁净，之后在氩气环境下进行等温退火，零件升温至820 °C保温lh，随炉冷却至540 °C保温1.5h，而后空冷至室温；(2)将? 100mm X 90mm规格球磨罐1的中段部分切割掉大小为? 100mm X 40mm的管状部段；(3)将经退火后的TC1管状零件2与切割剩余的球磨罐1上下两个部段通过销钉3进行组装，在连接处放入橡皮圈保证连接处的气密性，如附图1所示；(4)在进行球磨之前，先用酒精对其内表面多次清洗，之后烘干，再放入直径大小不等的钢球4(包括90颗? 6 mm，75颗? 8 mm和30颗? 10 mm)，为保证球磨阶段不发生氧化， 在将钢球置入罐内后对球磨罐进行连续抽真空并用氩气将残余空气排尽，之后向罐中通入氩气，气压控制在〇.5 Mpa;随后进行球磨过程，将球磨罐放置在底盘6的一端，另一端放置平衡块5。底盘6的球磨转速为350 r/min，球磨时间设置为15h，每球磨20 min停转10 min。 球磨的同时，可以让球磨罐向底盘相反的方向自转。[〇〇14]经球磨之后，所获取的零件内表面获得了 15wii的纳米结构层，如附图3所示，相应的透射电子显微照片显示其a晶粒平均大小为75nm，hsB粒平均大小为50nm，如附图4所示。 [〇〇15]实施例2:本实施例提供一种实现TC2合金管状零件内表面纳米化结构的方法，具体实施方法表现为对球磨罐的改装、TC2合金管状零件前处理以及后续的机械高能球磨:(1)机加工出? 100mmX40mm的TC2管状零件(初始a晶粒平均大小为8mi，初始晶粒平均大小为2wii)，并对其表面打磨并用酒精清洗至表面光亮洁净，之后在氩气环境下进行等温退火，零件升温至860 °C保温1.2h，随炉冷却至560 °C保温1.2h，而后空冷至室温；(2)将? 100mm X 90mm规格球磨罐的中段部分切割掉大小为? 100mm X 40mm的管状部段；(3)将经退火后的TC2管状零件与切割剩余的球磨罐上下两个部段通过销钉进行组装， 在连接处放入橡皮圈保证连接处的气密性，如附图1所示；(4)在进行球磨之前，先用酒精对其内表面多次清洗，之后烘干，再放入直径大小不等的钢球(包括100颗? 6 mm，60颗? 8 mm和30颗? 10 mm)，为保证球磨阶段不发生氧化， 在将钢球置入罐内后对球磨罐进行连续抽真空并用氩气将残余空气排尽，之后向罐中通入氩气，气压控制在0.6 Mpa;随后进行球磨过程，球磨转速为300 r/min，球磨时间设置为 18h，每球磨20 min停转10 min。
[0016]经球磨之后，所获取的零件内表面获得了 12wii的纳米结构层，如附图5所示，相应的透射电子显微照片显示其a晶粒平均大小为80nm，hsB粒平均大小为60nm，如附图6所示。 [〇〇17]实施例3:本实施例提供一种实现TC3合金管状零件内表面纳米化结构的方法，具体实施方法表现为对球磨罐的改装、TC3合金管状零件前处理以及后续的机械高能球磨:(1)机加工出? 100mmX 40mm的TC3管状零件(初始a晶粒平均大小为lOwn，初始晶粒平均大小为5wii)，并对其表面打磨并用酒精清洗至表面光亮洁净，之后在氩气环境下进行等温退火，零件升温至800 °C保温1.2h，随炉冷却至500 °C保温1.5h，而后空冷至室温；(2)将? 100mm X 90mm规格球磨罐的中段部分切割掉大小为? 100mm X 40mm的管状部段；(3)将经退火后的TC3管状零件与切割剩余的球磨罐上下两个部段通过销钉进行组装， 在连接处放入橡皮圈保证连接处的气密性，如附图1所示；(4)在进行球磨之前，先用酒精对其内表面多次清洗，之后烘干，再放入直径大小不等的钢球(包括120颗? 6 mm，45颗? 8 mm和30颗? 10 mm)，为保证球磨阶段不发生氧化， 在将钢球置入罐内后对球磨罐进行连续抽真空并用氩气将残余空气排尽，之后向罐中通入氩气，气压控制在0.5 Mpa;随后进行球磨过程，球磨转速为400 r/min，球磨时间设置为 15h，每球磨20 min停转10 min。[〇〇18]经球磨之后，所获取的零件内表面获得了 18wii的纳米结构层，如附图7所示，相应的透射电子显微照片显示其a晶粒平均大小为90nm，hsB粒平均大小为60nm，如附图8所示。 [〇〇19]实施例4:本实施例提供一种实现TC4合金管状零件外表面纳米化结构的方法，具体实施方法表现为对球磨罐的改装、TC4合金管状零件前处理以及后续的机械高能球磨:(1)机加工出? 60mm X 90mm的TC4管状零件(初始a晶粒平均大小为6mi，初始晶粒平均大小为2wn)，并对其表面打磨并用酒精清洗至表面光亮洁净，之后在氩气环境下进行等温退火，零件升温至840 °C保温0.8h，随炉冷却至540 °C保温1.3h，而后空冷至室温；(2)将经退火后的TC4管状零件与? 100mm X 90mm规格球磨罐底部通过销钉进行组装， 在连接处放入橡皮圈保证连接处的气密性，如附图2所示；(4)在进行球磨之前，先用酒精对其内表面多次清洗，之后烘干，再放入直径大小不等的钢球(包括120颗? 6mm，60颗? 8mm和30颗? 10mm)，为保证球磨阶段不发生氧化，在将钢球置入罐内后对球磨罐进行连续抽真空并用氩气将残余空气排尽，之后向罐中通入氩气， 气压控制在0.4 Mpa;随后进行球磨过程，球磨转速为350 r/min，球磨时间设置为20h，每球磨20 min停转 10 min。
[0020]经球磨之后，所获取的零件内表面获得了 20WI1的纳米结构层，如附图9所示，相应的透射电子显微照片显示其a晶粒平均大小为75nm，hsB粒平均大小为40nm，如附图10所示。
[0021]本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种实现双相钛合金管状零件内外表面纳米化结构的方法，其特征在于包括以下步 骤:1)机加工出双相钛合金管状零件，并对其表面打磨并用酒精清洗，之后进行扩散退火 处理；2 )对双相钛合金管状零件内表面进行处理；2.1)选取直径与双相钛合金管状零件相同，高度为双相钛合金管状零件2-3倍的球磨 罐进行改造，将球磨罐中段部分切掉与双相钛合金管状零件高度相同的管状部段；2.2)将双相钛合金管状零件与切割剩余的球磨罐上下两个部段通过销钉进行组装，在 连接处放入橡皮圈；2.3)用酒精对双相钛合金管状零件内表面清洗，之后烘干，再放入直径大小不等的钢 球若干，进行高能球磨，同时向球磨罐中通入氩气作为保护气氛；3)对双相钛合金管状零件外表面进行处理；3.1)选取直径为双相钛合金管状零件1.5-2倍，高度与双相钛合金管状零件等高的球 磨罐；3.2)将双相钛合金管状零件放入球磨罐中心部位，双相钛合金管状零件底部通过销钉 与球磨罐进行组装，在连接处放入橡皮圈；3.3)用酒精对双相钛合金管状零件外表面清洗，之后烘干，再向球磨罐中放入直径大 小不等的钢球若干，进行高能球磨，同时向球磨罐中通入氩气作为保护气氛。2.根据权利要求1所述的实现双相钛合金管状零件内外表面纳米化结构的方法，其特 征在于:所述的双相钛合金管状零件选用的为含不同质量分数0相双相钛合金TC1、TC2、 TC3、TC4中的任意一种，初始a晶粒平均大小为5-lOwii，初始0晶粒平均大小为2-5mi。3.根据权利要求1所述的实现双相钛合金管状零件内外表面纳米化结构的方法，其特 征在于:步骤1)所述的扩散退火处理，具体实施为等温退火800-860 °C保温0.8-1.2h，随炉 冷却至500-560 °C保温1.2-1.5h，而后空冷，退火在真空或者氩气气氛环境中进行。4.根据权利要求1所述的实现双相钛合金管状零件内外表面纳米化结构的方法，其特 征在于:步骤2.3)或步骤3.3)中所述的钢球，其直径大小包括①6 mm，? 8 mm和①10 mm 三种，其对应的数量比例为3?4:1.5?2.5:1，钢球总重量在300?400 g之间。5.根据权利要求1所述的实现双相钛合金管状零件内外表面纳米化结构的方法，其特 征在于:步骤2.3)或步骤3.3)中所述的高能球磨工艺为，球磨转速在300?400 r/min，球磨 时间控制在1〇_20 h，球磨每20 min停转10 min。
【文档编号】B82Y40/00GK105970127SQ201610350929
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】沈以赴, 李宜峰
【申请人】南京航空航天大学