一种在金属钛表面制备纳米孪晶层的方法与流程

本发明属于材料加工技术领域，特别涉及一种在金属钛表面制备纳米孪晶层的方法。

背景技术：

孪晶界是一种特殊的低能态共格晶界，孪晶界两侧的晶格呈镜面对称；由于孪晶界与位错间存在特殊的相互作用，利用纳米尺度孪晶界可实现晶体材料的增强增韧；因此，纳米孪晶可以明显提高材料的力学性能和耐腐蚀性能。

强流脉冲电子束是最近几年发展的一种新型表面改性技术，其作为一种高密度能量源，在材料近表层附近沉积了大量的能量，并且产生了快速加热和冷却过程，该过程的循环往复导致了表面复杂的温度场和应力场的产生，进而导致材料组织发生了明显变化；由于快速熔化或蒸发加热，热应力以及自淬火等过程的产生，导致了表面非平衡结构的形成，例如纳米晶，准晶，非晶等亚稳态结构，这些结构的产生提高了材料表面的物理和化学性能。

工业纯钛具有优良的冲压工艺性能和焊接性能，对热处理及组织类型不敏感，在令人满意的塑性条件下具有一定的强度；它的强度主要取决于间隙元素氧、氮的含量。它在海水中具有高的抗腐蚀性能，但在无机酸中较差，一般用于制造在-253～350℃温度下工作的、受力不大的各种板材零件或锻件，也可制造铆钉线材和管材，甚至可以应用于医学种植体器件等；强流脉冲电子束处理能够明显细化工业纯钛表面的组织，从而使得其表面性能得到显著的提高，尽管国内外文献报道过强流脉冲电子束处理纯钛的研究，但没有报道纳米孪晶层的制备。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在金属钛表面制备纳米孪晶层的方法，将工业纯钛经过轧制和再结晶退火处理形成退火孪晶，然后将电子束施加在经过再结晶退火处理的工业纯钛表面上，从而获得了纳米孪晶，显著提高了材料的耐腐蚀性。

本发明的方法按以下步骤进行：

1、将海绵钛放入真空自耗电弧炉的坩埚中，利用控温仪将温度调节在300±10℃，预热海绵钛至少30分钟以除去水份，然后将温度升到1800±10℃，熔炼至少1小时以保证海绵钛完全熔化，再将熔化的物料浇注到铸铁模具内，冷却至常温得到工业纯钛铸锭；

2、加热工业纯钛铸锭至800~900℃，保温0.5~1h，然后热轧，开轧温度850~900℃，终轧温度700~750℃，总压下量为60~70％，最后再进行再结晶退火处理，退火温度600~700℃，时间10~50分钟；退火后冷却到室温，获得铸锭；

3、利用线切割在铸锭上切出断面，然后对断面进行机械抛光和研磨至表面光亮，再用有机溶剂将其表面清洗干净，获得试样；

4、将试样置于真空≤6×10^-3Pa条件下，对其表面进行强流脉冲电子束处理，加速电压为20~25KV，脉冲次数为25次，能量密度为2~4J/cm²，在金属钛表面获得纳米孪晶层。

上述步骤（3）的有机溶剂为乙醇或丙酮。

本发明通过工业纯钛的轧制消除冶炼纯钛过程中的铸造缺陷，以优化其微观组织结构；通过再结晶退火处理先向工业纯钛中引入退火孪晶，然后对其表面施加强流脉冲电子束处理，从而获得纳米孪晶，使得材料表面的电化学耐腐蚀性明显提高；并且电子束表面改性工艺是在真空条件下进行，能够有效避免合金表面被氧化；本发明方法工艺简单，操作方便，工业纯钛表面形成了大量的纳米孪晶，这对于提高材料表面性能具有重要意义和实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1中试样强流脉冲电子束处理前的表面SEM形貌图；

图2为本发明实施例1中试样强流脉冲电子束处理后的表面SEM形貌图；

图3为图2的放大图；

图4为本发明实施例2中试样强流脉冲电子束处理前的表面SEM形貌图；

图5为本发明实施例2中试样强流脉冲电子束处理后的表面SEM形貌图；

图6为图5的放大图。

具体实施方式

本发明实施例采用的真空自耗电弧炉型号为ZHT100。

本发明实施例中强流脉冲电子束处理采用的设备型号为MMLAB-HOPE-Ⅰ。

本发明实施例中强流脉冲电子束处理时的束斑直径为30mm，脉冲宽度为0.5~5μs，脉冲间隔为30s。

本发明实施例中的热轧采用CVC⁺轧机，坯料的尺寸为1280mm×100mm×6000mm。

实施例1

将海绵钛放入真空自耗电弧炉的坩埚中，利用控温仪将温度调节在300±10℃，预热海绵钛30分钟，然后将温度升到1800±10℃，熔炼1.5小时，再将熔化的物料浇注到铸铁模具内，冷却至常温得到工业纯钛铸锭；

加热工业纯钛铸锭至800℃，保温1h，然后热轧，开轧温度850℃，终轧温度700℃，总压下量为60％，最后再进行再结晶退火处理，退火温度600℃，时间50分钟；退火后冷却到室温，获得铸锭；

利用线切割在铸锭上切出断面，然后对断面进行机械抛光和研磨至表面光亮，再用乙醇将其表面清洗干净，获得试样；

将试样置于真空度≤6×10^-3Pa条件下，对其表面进行强流脉冲电子束处理，加速电压为20KV，脉冲次数为25次，能量密度为4J/cm²，在金属钛表面获得纳米孪晶层；

试样强流脉冲电子束处理前的表面SEM形貌如图1所示，强流脉冲电子束处理后的表面SEM形貌如图2所示，放大图如图3所示；由图可见，未经电子束处理时试样表面形成微米级的退火孪晶，其特征为：孪晶面平直，孪晶片较厚，贯穿整个晶粒；而经过25次脉冲处理后孪晶明显细化到纳米级别，而且晶粒也明显得到细化；

对试样进行电化学性能测试，腐蚀介质为3.5wt%NaCl溶液，测得强流脉冲电子束处理前的试样的腐蚀电流密度为29.8μA/cm²，强流脉冲电子束处理后的试样的腐蚀电流密度为5.15μA/cm²。

实施例2

将海绵钛放入真空自耗电弧炉的坩埚中，利用控温仪将温度调节在300±10℃，预热海绵钛40分钟，然后将温度升到1800±10℃，熔炼2小时，再将熔化的物料浇注到铸铁模具内，冷却至常温得到工业纯钛铸锭；

加热工业纯钛铸锭至900℃，保温0.5h，然后热轧，开轧温度900℃，终轧温度750℃，总压下量为70％，最后再进行再结晶退火处理，退火温度700℃，时间10分钟；退火后冷却到室温，获得铸锭；

利用线切割在铸锭上切出断面，然后对断面进行机械抛光和研磨至表面光亮，再用丙酮将其表面清洗干净，获得试样；

将试样置于真空度≤6×10^-3Pa条件下，对其表面进行强流脉冲电子束处理，加速电压为22KV，脉冲次数为25次，能量密度为3J/cm²，在金属钛表面获得纳米孪晶层；试样强流脉冲电子束处理前的表面SEM形貌如图4所示，强流脉冲电子束处理后的表面SEM形貌如图5所示，放大图如图6所示；由图可见，未经电子束处理时合金表面形成微米级的退火孪晶，其特征如下：孪晶面平直，孪晶片较厚，贯穿整个晶粒；而经过25次脉冲处理后孪晶明显细化到纳米级别，而且晶粒也明显得到细化；

对试样进行电化学性能测试，腐蚀介质为3.5wt%NaCl溶液，测得强流脉冲电子束处理前的试样的腐蚀电流密度为31.4μA/cm²，强流脉冲电子束处理后的试样的腐蚀电流密度为7.26μA/cm²；

电子束处理后的试样的腐蚀电流密度显著下降，降低了1个数量级，证明电子束处理后材料表面耐腐蚀性显著提高。

实施例3

将海绵钛放入真空自耗电弧炉的坩埚中，利用控温仪将温度调节在300±10℃，预热海绵钛50分钟，然后将温度升到1800±10℃，熔炼1小时，再将熔化的物料浇注到铸铁模具内，冷却至常温得到工业纯钛铸锭；

加热工业纯钛铸锭至850℃，保温0.6h，然后热轧，开轧温度880℃，终轧温度720℃，总压下量为65％，最后再进行再结晶退火处理，退火温度650℃，时间30分钟；退火后冷却到室温，获得铸锭；

利用线切割在铸锭上切出断面，然后对断面进行机械抛光和研磨至表面光亮，再用丙酮将其表面清洗干净，获得试样；

将试样置于真空度≤6×10^-3Pa条件下，对其表面进行强流脉冲电子束处理，加速电压为25KV，脉冲次数为25次，能量密度为2J/cm²，在金属钛表面获得纳米孪晶层。