专利名称：扭转剪切复合挤压制备钛合金微/纳米块体方法
技术领域：
本发明属于通过机械加工制备高性能金属材料技术领域，是一种扭转剪切复合挤压剧烈塑性成形细化钛合金晶粒为微纳米数量级以提高其综合力学及机械性能的方法。
背景技术：
钛及钛合金具有密度小、比强度比刚度高、耐腐蚀性好、高温力学性能优异、抗疲劳和蠕变性能突出、无磁性可焊接等优点，在航空、航天、化工、兵器、舰船、能源等领域都已得到广泛应用。特别是在航空航天领域，钛合金已成为先进飞机和航空发动机的主要结构材料之一，也成为衡量飞机选材先进程度的重要标志。但与此同时，航空航天技术的不断发展也对钛合金作为结构材料的综合机械性能提出了更高的要求。纳米技术是上世纪90年代初开始发展的新兴科技，主要是探索介于宏微观之间但更接近于微观的纳米尺度物质体系的运动规律及其相互作用关系。由于其对信息科学、 生命科学及材料科学等科学技术的巨大推动作用而受到世界各国的高度重视并得以迅猛发展，目前在材料、信息、能源、环境、生命以及军事等领域都已得到广泛应用。金属纳米多晶体是纳米材料学与纳米机械学的交叉研究领域，主要研究晶粒尺寸 1 IOOnm之间的金属多晶体的各种组织力学性能、特征及规律，是现代纳米技术的重要组成部分。由于纳米多晶体包含的原子数介于IO2 IO7之间，空位、间隙置换原子、位错层错等各种微观热动力学统计缺陷不再具有宏观统计规律，晶体内部的材料微观缺陷显著降低，部分晶体甚至接近于完整晶体，表现出极高的材料强度特征，其中弹性刚度及塑性强度的提高幅度可以达到1000%。显然，如果能够通过纳米化的方法制备高性能钛合金块体材料则对于促进钛合金作为工程结构材料，尤其是航空、航天、装甲等先进结构材料的应用将具有重要意义。但目前金属纳米多晶体的制备方法仍处于探索阶段，常用的有原位生成、粉末冶金、非晶晶化、电沉积、凝固控制及剧烈塑性成形等方法。与基于物理化学过程的制备方法相比，剧烈塑性成形(Severe Plastic Deformation, SPD)制备的纳米多晶体具有组织致密、无微孔隙及界面弱连接、不易引入杂质、界面组织清洁及无颗粒团聚等优点。但与纳米颗粒固化制备的纳米晶块体相比，目前剧烈塑性成形制备的纳米晶块体存在纳米晶尺寸偏大(200nm 300nm)、重复变形过程中纳米晶直径存在饱和值、强化幅度偏低(宏观力学性能提高幅度仅为100% 120% )等问题，无法充分发挥纳米晶的高强化特征。造成这些现象的主要原因是变形过程中剧烈的剪切应力在引起晶粒沿剪切方向发生剧烈相对滑动的同时，剪切面两侧材料的晶内微观塑性行为无法协调原子间键合关系的重新构建，晶粒细化表现为剪断型细化，形成大量以微裂纹微孔洞为代表的微观缺陷。尤其对于强化相弥散分布及强化元素原子半径与基体原子半径差别较大的固溶强化合金，其微缺陷的形核生长及分布表现得更为广泛和迅速。此外由于剧烈塑性成形制备纳米晶体以剪切变形为主，变形区材料静水压力几乎为零，剧烈剪切所引起的微缺陷无法得到及时的闭合和修复，造成通过以等径角挤为代表的剧烈塑性变形制备的微纳米多晶体材料的宏观
3力学性能有时不仅没有显著提高，甚至还会低于粗晶，严重影响了其作为结构材料的应用。
发明内容
本发明针对目前剧烈塑性成形制备微纳米多晶体存在纳米晶直径饱和及强化幅度偏低，无法充分发挥纳米晶高强化特征的问题，以被称为“太空金属”和“海洋金属”的钛合金为主要对象，给出了一种复合塑性成形方法制备工程结构用高质量微纳米钛合金块体材料的新方法，具有既能发挥剧烈塑性成形强烈剪切变形细化晶粒的能力，同时又能通过提高变形区静水压力闭合成形过程中的微缺陷，显著提高所制备的钛合金微纳米晶质量。本发明主要包括以下内容第一步钛合金坯料的制备及模具的制造，针对最终钛合金材料几何尺寸加工制造相应的扭转挤压及剪切挤压模具；第二步扭转挤压剧烈塑性成形将钛合金坯料置于扭转挤压挤压筒中，通过相应的挤压设备配合扭转挤压模具进行扭转挤压剧烈塑性变形，依托挤压过程中以挤压轴为中心的剧烈轴对称剪切变形，在不改变坯料截面几何形状的条件下趋使钛合金晶粒发生强烈的扭转变形，通过位错的剧烈运动快速形成位错胞和亚晶，形成对钛合金晶粒的初次细化；第三步取样分析，力学性能测试，及微观组织观察对于扭转挤压变形后的组织进行显微分析，确定晶粒尺寸的变化；第四步剪切挤压剧烈塑性成形，将经扭转挤压变形后的钛合金坯料置于剪切挤压挤压筒中，通过相应的设备并配合剪切挤压模具进行剪切挤压剧烈塑性变形；通过挤压过程中以挤压轴水平面为对称面的剧烈错动型剪切变形，在不改变坯料截面几何形状的条件下趋使钛合金晶粒发生强烈的错动变形，依托位错的进一步剧烈运动，驱动扭转挤压形成的位错胞和亚晶发生转动及进一步变形，完成对钛合金晶粒的再次细化；第五步取样分析，力学性能测试，及微观组织观察；对于剪切挤压变形后的组织进行显微分析，确定晶粒尺寸的变化；第六步剧烈塑性成形工艺的循环复合结合上述扭转挤压及剪切挤压的微观组织特征，进行剧烈塑性成形工艺的循环复合。本发明的工作原理通过将扭转挤压剧烈塑性成形与剪切挤压剧烈塑性成形工艺的复合，发挥两种工艺挤压方向变形前后一致，变形区材料承受静水压力，可以修复微观材料缺陷，同时扭转挤压为以挤压轴为中心的轴对称剪切变形，剪切挤压为垂直于挤压轴的剪切变形，两种塑性变形剪切方向不同，具有细化晶粒的互补性，通过对两种挤压加工道次的优化组合，制备高性能微纳米钛合金块体材料。钛合金材料经铸造或铸造与锻造结合加工为棒材坯料，通过多道次扭转挤压形成具有以挤压轴为中心的旋转型细晶，在此基础上进行剪切挤压变形，对拉长的旋转型细晶进行垂直于挤压轴方向的反复剪切变形，形成进一步的细化晶粒。通过对剪切挤压与扭转挤压多道次的优化组合，加工高质量细晶高强钛合金微纳米多晶体。
具体实施例方式本发明具体实施过程中涉及钛合金坯料的制备、挤压设备的选择、剧烈剪切及剧烈挤压模具的制造、复合剧烈塑性成形工艺的设计制定、剧烈塑性成形挤压变形以及经剧烈塑性成形后的材料组织结构及性能的测试分析，主要包括一 钛合金坯料的制备、设备选型及模具的制造。根据最终成形钛合金构件的几何尺寸设计加工相应的钛合金坯料。由于扭转挤压及剪切挤压均不改变材料的截面形状，可以反复变形，因此坯料几何尺寸可以与最终所需钛合金几何尺寸相同，仅留少量加工余量即可。同时根据最终成形钛合金构件的结构完成挤压力的计算及挤压设备的选型，并加工制造相应的扭转挤压及剪切挤压模具各一套或多套。二 复合剧烈塑性成形工艺设计制定。根据材料的宏微观结构及组织特点，结合实验结果设计制定相应的复合剧烈塑性成形工艺。主要包括复合剧烈塑性成形顺序及加工道次。由于单一剧烈塑性成形的晶粒细化存在饱和，因此相同道次挤压尽量不超过4次。三扭转/挤压复合剧烈塑性成形。根据复合剧烈塑性成形工艺进行扭转/挤压复合剧烈塑性成形，依托交替的剧烈轴对称剪切变形及扭转剪切变形进行晶粒细化。在此需要注意的是剧烈塑性成形过程需要配合良好的润滑，可选用二硫化钼或高性能纳米润滑剂。四材料组织性能测试分析。对完成加工过程的钛合金棒材进行宏观材料性能及微观组织测试，分析最终材料性能及组织特点，对于未满足设计要求的棒材进行进一步复合剧烈塑性成形加工。五最终成形件的表面处理、截断及后继加工。对于经测试分析的钛合金棒材进行表面处理，并根据零件尺寸进行截断及后继加工。实施例1边长IOmm正方形截面制备超细晶TC系列钛合金型材。由于TC系列钛合金微观组织为α+β相，强度高，可热处理强化，热压加工性好，表现有较好的综合力学性能，其微纳米多晶块体制备可采用多道次扭转挤压与多道次剪切挤压复合的方式进行加工。首先制备截面为正方形的钛合金棒材。考虑到表面质量及后继表面处理加工精度的要求，可选择IlXllmm的正方形截面钛合金棒材，导r = Imm圆角，长度可根据实际需求确定。其次计算挤压力，根据挤压力及生产条件选择挤压设备并加工制造相应的扭转挤压及剪切挤压模具，在满足挤压吨位的要求下，挤压设备既可选用立式也可选用卧式挤压机。 再次进行复合剧烈塑性成形工艺设计。对于TC系列合金可选用多道次扭转挤压配合多道次剪切挤压的复合剧烈塑性成形工艺。挤压道次可选择3-4道次扭转挤压后配合3-4道次剪切挤压。在此基础上进行复合挤压剧烈塑性成形，润滑可选用二硫化钼或高性能纳米润滑剂。最终通过组织性能测试确定微观组织满足设计要求后，如对表面质量有要求则可通过机械加工方式对所加工棒材进行表面处理，否则正方形截面TC系列钛合金型材材微纳米多晶块体可直接交货。需要指出的是，对于常规钛合金，如果对微纳米多晶体质量要求不是很高，为节省力学性能测试及微观组织的时间，可以采用四道次扭转挤压配合四道次剪切挤压的方法进行加工。实施例2制备10mm*20mm矩形截面TA系列钛合金型材微纳米多晶体。TA系列钛合金高温性能好，组织稳定，焊接性好，是耐热钛合金的主要组成部分，但常温强度低，塑性不够高， 剧烈塑性成形可选择扭转挤压_剪切挤压_扭转挤压_剪切挤压的循环复合。首先制备矩形截面的钛合金型材。可选择llX22mm的矩形截面钛合金棒材，导r =Imm圆角，长度根据实际需求确定。此后进行挤压力的计算，并根据挤压力及生产条件选择挤压设备并加工制造相应的扭转挤压及剪切挤压模具，挤压设备既可选用立式也可选用卧式挤压机。在此基础上设计复合剧烈塑性成形工艺，可选择扭转挤压_剪切挤压_扭转挤压-剪切挤压的循环复合。根据挤压工艺进行复合挤压剧烈塑性成形，加工制造TA系列钛合金型材微纳米多晶体。需要注意的是，挤压过程中由于坯料的长短边金属流动不一致，因此每道次挤压后材料需旋转180度进行下一道次的变形，润滑可选用二硫化钼或高性能纳米润滑剂。在此基础上，通过组织性能测试确定微观组织，如组织性能满足要求则可通过机械加工方式对所加工棒材进行表面处理并按要求截断交货。
权利要求
1.扭转剪切复合挤压制备钛合金微/纳米块体方法，其特征在于 第一步钛合金坯料的制备及模具的制造，针对最终钛合金材料几何尺寸加工制造相应的扭转挤压及剪切挤压模具；第二步扭转挤压剧烈塑性成形将钛合金坯料置于扭转挤压挤压筒中，通过相应的挤压设备配合扭转挤压模具进行扭转挤压剧烈塑性变形，依托挤压过程中以挤压轴为中心的剧烈轴对称剪切变形，在不改变坯料截面几何形状的条件下趋使钛合金晶粒发生强烈的扭转变形，通过位错的剧烈运动快速形成位错胞和亚晶，形成对钛合金晶粒的初次细化；第三步取样分析，力学性能测试，及微观组织观察对于扭转挤压变形后的组织进行显微分析，确定晶粒尺寸的变化；第四步剪切挤压剧烈塑性成形，将经扭转挤压变形后的钛合金坯料置于剪切挤压挤压筒中，通过相应的设备并配合剪切挤压模具进行剪切挤压剧烈塑性变形；通过挤压过程中以挤压轴水平面为对称面的剧烈错动型剪切变形，在不改变坯料截面几何形状的条件下趋使钛合金晶粒发生强烈的错动变形，依托位错的进一步剧烈运动，驱动扭转挤压形成的位错胞和亚晶发生转动及进一步变形，完成对钛合金晶粒的再次细化；第五步取样分析，力学性能测试，及微观组织观察；对于剪切挤压变形后的组织进行显微分析，确定晶粒尺寸的变化；第六步剧烈塑性成形工艺的循环复合结合上述扭转挤压及剪切挤压的微观组织特征，进行剧烈塑性成形工艺的循环复合。
全文摘要
本发明涉及一种扭转剪切复合挤压制备钛合金微/纳米块体方法，属于钛合金微纳米块体制备技术领域。通过将扭转挤压剧烈塑性成形与剪切挤压剧烈塑性成形工艺的复合，发挥两种工艺挤压方向变形前后一致，变形区材料承受静水压力，修复微观材料缺陷，同时扭转挤压为以挤压轴为中心的轴对称剪切变形，剪切挤压为垂直于挤压轴的剪切变形，两种塑性变形剪切方向不同，具有细化晶粒的互补性，通过对两种挤压加工道次的优化组合，制备高性能微纳米钛合金块体材料，在此基础上进行剪切挤压变形，对拉长的旋转型细晶进行垂直于挤压轴方向的反复剪切变形，形成进一步的细化晶粒。
文档编号C22F1/18GK102234752SQ20111014714
公开日2011年11月9日 申请日期2011年6月2日 优先权日2011年6月2日
发明者张妍婧, 李洪洋, 李薇薇, 陈成 申请人:北京理工大学