一种面心立方结构钛的制备方法与流程

本发明属于钛的制备技术领域，具体涉及一种面心立方结构钛的制备方法。

背景技术：

钛与钛合金由于具有良好的耐蚀性，较高的屈强比和优异的生物相容性等特性，已被广泛应用于航空、航天、医药和汽车工业等领域。众所周知，钛在室温和标准大气压下的稳定结构是密排六方(hcp)的α相。在温度逐渐升高至882.5℃时，α相会转变为体心立方(bcc)结构的β相。而在室温条件下逐渐增大压力时，钛的α相会转变为另一种六方结构的ω相，降低其韧性和延展性，从而影响使用性能。继续增加压力时，钛并不像其他钛族元素(锆和铪)一样，发生六方结构ω相向体心立方β相的转变。国内外科研工作者做了大量的工作研究这一反常现象，并在超高压条件下发现了钛的两个新相γ(118gpa)和δ(136gpa)相，但是继续加压到220gpa时，仍未发现室温条件下钛的β相转变。钛在压力条件下的反常现象引发了人们对钛的相稳定性和相结构转变研究的兴趣。相关研究者通过高压冲击、高压扭转和超薄薄膜等技术手段对钛的相结构进行了研究，发现了一种没有出现在钛的p-t相图上的面心立方结构钛。

现有技术制备面心立方结构钛的方法主要包括薄膜法和冷轧法。薄膜法制备面心立方结构钛的制备条件要求严格：有的需要很高的真空条件，有的需要在高温条件下制备，有的需要在单晶基片上生长。冷轧法制备面心立方结构钛的制备条件不容易控制，面心立方结构钛在材料内部，利用x射线衍射(xrd)很难判断该相的存在，因此很难被实验观察和研究。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种面心立方结构钛的制备方法。本发明首次提出将激光冲击技术应用于面心立方结构钛的制备，通过对纯钛基体表面进行多次激光冲击，在纯钛基体表面制备出了面心立方结构钛，制备方法简单，条件温和，实验参数容易控制，而且该方法制备的面心立方结构钛存在于纯钛基体的激光冲击面上，易于被观察和研究。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种面心立方结构钛的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、对纯钛基体进行打磨，然后进行抛光处理，最后置于酒精中进行10min～20min的超声波清洗；

步骤二、将黑胶带粘贴在步骤一中经超声波清洗后的纯钛基体的表面上，然后用脉冲激光器对纯钛基体表面进行两次激光冲击，激光冲击后除掉残留在纯钛基体表面上的黑胶带残片；

步骤三、在除掉黑胶带残片后的纯钛基体表面上涂覆黑漆，再用脉冲激光器对纯钛基体表面进行一次激光冲击，激光冲击后在纯钛基体的冲击面上得到面心立方结构钛；

步骤二中的两次激光冲击和步骤三中的一次激光冲击的过程中均采用2mm～3mm厚的流动水层作为约束层。

上述的一种面心立方结构钛的制备方法，其特征在于，步骤一中所述酒精中乙醇的质量含量不小于99.7％。

上述的一种面心立方结构钛的制备方法，其特征在于，步骤一中所述纯钛基体为1.5mm～3mm厚的高纯钛板，所述高纯钛板中钛含量不低于99.9wt％，氧含量不高于0.05wt％。

上述的一种面心立方结构钛的制备方法，其特征在于，步骤二和步骤三中所述脉冲激光器的激光能量均为3j～5j，脉宽均为10ns～20ns，激光光斑的直径均为2mm～3mm。

上述的一种面心立方结构钛的制备方法，其特征在于，步骤二中所述黑胶带的厚度为30μm～40μm。

上述的一种面心立方结构钛的制备方法，其特征在于，步骤三中所述黑漆的涂覆厚度为30μm～50μm。

本发明先选用黑胶带作为吸收层，是由于黑胶带作为激光冲击的吸收层，其粘贴方式简单，可直接进行激光冲击，但是其只能承受两次激光冲击，并且激光冲击之后的冲击面变得凹凸不平，再次采用黑胶带进行激光冲击时，粘贴的黑胶带无法与冲击面无缝隙地贴合在一起，影响后续激光冲击的效果，常常无法在冲击面上得到面心立方结构钛；再选用黑漆作为吸收层，涂覆在经两次激光冲击的冲击面上，涂覆的黑漆与凹凸不平的冲击面贴合效果好，且只需冲击一次，就能在冲击面上制备得到面心立方结构钛。但是由于涂覆黑漆后的干燥时间需要2～3小时，导致实验效率低，因此本发明先采用方便粘贴的黑胶带作为吸收层进行两次激光冲击，后采用黑漆作为吸收层进行后一次激光冲击，经过三次激光冲击后，纯钛基体表面晶粒得到充分细化，实现了纯钛基体晶相的转变，在纯钛基体的冲击面上得到面心立方结构钛。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明针对现有的薄膜法制备面心立方结构钛需要在高真空、高温、单晶基片上生长等制备条件苛刻的不足，给出一种制备面心立方结构钛的新方法，当前激光冲击常用于提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力，而本发明采用激光冲击技术在纯钛基体表面制备面心立方结构钛，在常温常压下依次使用黑胶带和黑漆作为吸收层，巧妙地安排了吸收层的顺序，使用黑胶带作为吸收层粘贴简便，无需干燥即可直接进行激光冲击，后续再使用黑漆作为吸收层，其与纯钛基体表面的贴合性能好，可以消除因黑胶带残片去除不完全对后续激光冲击造成的影响，确保较好的冲击效果，最后通过激光冲击即可得到面心立方结构钛，制备方法简单，条件温和，节能环保。

2、本发明针对现有的冷轧法制备的面心立方结构钛的制备条件不易控制，面心立方结构钛存在于材料内部，利用x射线衍射很难判断该相是否存在等不足，本发明通过脉冲激光器参数的设定即可实现对实验条件的控制，实验参数容易控制，而且面心立方结构钛存在于纯钛基体的冲击面上，通过x射线衍射即可以确定该相的存在，易于被观察和研究。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例1的步骤三中经激光冲击后的高纯钛板冲击面的xps高分辨谱图。

图2为本发明实施例1的步骤一中经超声波清洗后高纯钛板的xrd图谱。

图3为本发明实施例1的步骤二中经激光冲击后的高纯钛板冲击面的xrd图谱。

图4为本发明实施例1的步骤三中经激光冲击后的高纯钛板冲击面的xrd图谱。

具体实施方式

实施例1

本实施例的制备方法为：

步骤一、依次使用规格为300cw、800cw、2000cw的水砂纸对1.5mm厚的高纯钛板进行打磨，然后使用金相抛光绒布进行抛光处理，最后置于质量含量为99.7％的酒精中进行10min的超声波清洗；

步骤二、将厚度为40μm的黑胶带粘贴在步骤一中经超声波清洗后的高纯钛板的表面上，然后用脉冲激光器对高纯钛板表面进行两次激光冲击，激光冲击后除掉残留在高纯钛板表面上的黑胶带残片；

步骤三、在除掉黑胶带残片后的高纯钛板表面上涂覆40μm厚的黑漆，再用脉冲激光器对高纯钛板表面进行一次激光冲击，激光冲击后在高纯钛板的冲击面上得到面心立方结构钛；

步骤二中的两次激光冲击和步骤三中的一次激光冲击的过程中均采用3mm厚的流动水层作为约束层。

本实施例中，所述高纯钛板中钛含量为99.97wt％，氧含量为0.04wt％。

本实施例中，步骤二和步骤三中所述脉冲激光器均为nd:yag高功率脉冲激光器，激光能量均为4j，脉宽均为15ns，激光光斑的直径均为2.6mm。

图1为本实施例的步骤三中经激光冲击后的高纯钛板冲击面的xps高分辨谱图，由图可知，ti2p3/2峰位在454ev，ti2p1/2峰位在460ev，这说明经过多次激光冲击后高纯钛板的冲击面仍然是以钛金属单质的形式存在的。

图2为本实施例的步骤一中经超声波清洗后高纯钛板的xrd图谱，谱图中出现了α-ti(100)峰，α-ti(002)峰和α-ti(101)峰，图3为本实施例的步骤二中经激光冲击后的高纯钛板冲击面的xrd图谱，谱图中出现了α-ti(100)峰，α-ti(002)峰和α-ti(101)峰，通过图2和图3的比较可以得出：高纯钛板在经过两次激光冲击后并没有发生相结构转变，只是α-ti(002)峰受到激光冲击作用，将α-ti(002)取向的晶粒破碎，造成峰强降低，图4为本实施例的步骤三中经激光冲击后的高纯钛板冲击面的xrd图谱，谱图中出现了α-ti(100)峰，fcc-ti(111)峰，α-ti(002)峰，α-ti(101)峰和fcc-ti(200)峰，通过图2与图4的比较可以得出：三次激光冲击结束后，α-ti(002)峰的峰强大幅降低，并且出现了面心立方结构钛的fcc-ti(111)峰和fcc-ti(200)峰，其中，fcc-ti的主峰为fcc-ti(111)峰，fcc-ti(111)峰对应面心立方结构钛的密堆面，fcc-ti(111)峰是区别于α-ti的主要峰位，这表明高纯钛板的冲击面上确实得到了面心立方结构钛。

实施例2

本实施例的制备方法为：

步骤一、依次使用规格为300cw、600cw、1000cw、2000cw的水砂纸对2mm厚的高纯钛板进行打磨，然后使用金相抛光绒布进行抛光处理，最后置于质量含量为99.8％的酒精中进行15min的超声波清洗；

步骤二、将厚度为35μm的黑胶带粘贴在步骤一中经超声波清洗后的高纯钛板的表面上，然后用脉冲激光器对高纯钛板进行两次激光冲击，激光冲击后除掉残留在高纯钛板表面上的黑胶带残片；

步骤三、在除掉黑胶带残片后的高纯钛板表面上涂覆50μm厚的黑漆，再用脉冲激光器对高纯钛板表面进行一次激光冲击，激光冲击后在高纯钛板的冲击面上得到面心立方结构钛；

步骤二中的两次激光冲击和步骤三中的一次激光冲击的过程中均采用2mm厚的流动水层作为约束层。

本实施例中，所述高纯钛板中钛含量为99.95wt％，氧含量为0.04wt％。

本实施例中，步骤二和步骤三中所述脉冲激光器均为nd:yag高功率脉冲激光器，激光能量均为5j，脉宽均为10ns，激光光斑直径均为3mm。

本实施例对步骤三中激光冲击后的高纯钛板冲击面进行了xrd的测试，并将得到的图谱与实施例1中经激光冲击后的高纯钛板冲击面的xrd图谱进行了比较，发现本实施例与实施例1得到的图谱的出峰位置和出峰强度吻合很好，这说明本实施例经过激光冲击后在高纯钛板的冲击面上同样得到了面心立方结构钛。

实施例3

本实施例的制备方法为：

步骤一、依次使用规格为300cw、600cw、1500cw、2000cw的水砂纸对3mm厚的高纯钛板进行打磨，然后使用金相抛光绒布进行抛光处理，最后置于质量含量为99.7％的酒精中进行20min的超声波清洗；

步骤二、将厚度为30μm的黑胶带粘贴在步骤一中经超声波清洗后的高纯钛板的表面上，然后用脉冲激光器对高纯钛板表面进行两次激光冲击，激光冲击后除掉残留在高纯钛板表面上的黑胶带残片；

步骤三、在除掉黑胶带残片后的高纯钛板表面上涂覆30μm厚的黑漆，再用脉冲激光器对高纯钛板表面进行一次激光冲击，激光冲击后在高纯钛板的冲击面上得到面心立方结构钛；

步骤二中的两次激光冲击和步骤三中的一次激光冲击的过程中均采用2.5mm厚的流动水层作为约束层。

本实施例中，所述高纯钛板中钛含量为99.91wt％，氧含量为0.05wt％。

本实施例中，步骤二和步骤三中所述脉冲激光器均为nd:yag高功率脉冲激光器，激光能量均为3j，脉宽均为20ns，激光光斑的直径均为2mm。

本实施例对步骤三中激光冲击后的高纯钛板冲击面进行了xrd的测试，并将得到的图谱与实施例1中经激光冲击后的高纯钛板冲击面的xrd图谱进行了比较，发现本实施例与实施例1得到的图谱的出峰位置和出峰强度吻合很好，这说明本实施例经过激光冲击后在高纯钛板的冲击面上同样得到了面心立方结构钛。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。