一种超细结构高强度Ti-6Al-4V合金板材的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种超细结构高强度T1-6A1-4V合金板材的制备方法。
【背景技术】
[0002]钛合金具有诸多优良特性，如高比强度、低密度、优异的耐腐蚀性和生物相容性等，因而被广泛应用于航空航天、化工、舰艇、医疗、汽车及日常生活用品等许多领域。其中，T1-6A1-V合金是最早被开发的实用钛合金之一，也是目前应用最为广泛的钛合金。但随着实际应用对材料强度要求越来越高，T1-6A1-4V合金在某些对强度要求很高的场合下应用受到限制。
[0003]超细晶和纳米晶化是提高金属材料强度和综合力学性能的有效手段。目前，该领域研究较多的是通过强烈塑性变形(severe plastic deformat1n，简称SPD)的方法来实现钛合金材料的超细晶或纳米晶化，尤其是采用等通道角挤压(equal channelangular pressing，简称 ECAP)和高压扭转(high pressure tors1n,简称 HPT)这两种SPD方法来制备超细晶和纳米晶钛合金材料。例如，美国专利US20060213592公布了一种用ECAP方法制备纳米晶钛合金的技术，所得到的钛合金晶粒尺寸在300nm以下；美国专利US20140271336则公布了一种采用HPT和ECAP以及热机械加工结合处理制备纳米晶钛合金的技术，所得到的钛合金中至少80%的晶粒具有小于Iym(100nm)的晶粒尺寸。然而，采用HPT和ECAP等sro方法获得的超细晶或纳米晶钛合金尺寸非常有限，而且相应的操作难度大，不易于实现广泛的工业化应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备超细晶结构、强度和硬度高等优越性能的T1-6A1-4V合金板材的制备方法，该方法工艺简单，可利用一般工业设备实现，生产效率高，易于工业化应用。
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006]—种超细结构高强度T1-6A1_4V合金板材的制备方法，包括以下步骤:
[0007](I)前处理:将厚度为10?60_的初始T1-6A1-4V合金板材置于550?1000°C的热处理炉中保温30?120分钟，得到第一半成品板材；
[0008](2)不对称乳制:经步骤I热处理后的T1-6A1_4V合金板材立即进行不对称乳制处理，利用不对称乳制过程中产生的剪切作用使材料发生强烈的塑性变形而导致组织超细化，乳辊初始温度为室温，不对称乳制过程中板材上下表面的乳辊的线速度比为1.10?2.50，不对称乳制的乳下量大于30%，得到厚度大于或等于Imm的第二半成品板材；
[0009](3)中间热处理:步骤(2)处理后的T1-6A1-4V合金板材置于550?800°C的热处理炉中，利用中间热处理使材料内部组织发生部分再结晶并增加其可变形能力，中间热处理时的保温时间为10?30分钟，得到第三半成品板材；
[0010](4)对称乳制:经步骤⑶处理后的T1-6A1-4V合金板材立即进行对称乳制，对称乳制过程中乳辊的直径和转速均相同，使不对称乳制处理后的板材更加平整化，且进一步细化组织，乳辊初始温度为室温，乳辊的直径和转速均相同，对称乳制的乳下量大于10%，得到厚度大于或等于0.5mm的超细结构高强度T1-6A1-4V合金板材。
[0011]步骤(2)所述的不对称乳制的方式为乳辊直径相同而转速不同、乳辊直径不同而转速相同或乳辊直径和转速均不相同三种方式中的任意一种。乳辊直径相同转速不同时，上下两乳辊的转速的比例为1.10?2.50 ;乳辊直径不同转速相同时，上下两乳辊的直径的比例为1.10?2.50 ;乳辊直径和转速均不相同时，上下两乳辊的直径的比例为1.05?
2.40，上下两乳辊的转速的比例为1.05?2.40
[0012]步骤(I)中所述的初始T1-6A1_4V合金板材为热乳状态、退火状态或固溶时效处理状态。
[0013]步骤(I)中所述的第一半成品板材组织包括大部分为等轴状α相组织、或大部分为板条状(α+β)混合组织，或等轴状α相和板条状(α+β)比例相当的组织。
[0014]步骤⑵中所述的第二半成品板材组织内部平均晶粒尺寸小于I ym，组织中密排六方结构的α相和体心立方结构的β相共存。
[0015]步骤(4)中所述的超细结构高强度T1-6A1_4V合金板材组织内部平均晶粒尺寸小于500nm，组织中密排六方结构的α相和体心立方结构的β相共存，抗拉强度在1200MPa以上。
[0016]本发明以普通T1-6A1_4V合金板材为原料，采用不对称乳制、中间热处理以及对称乳制复合的方法对普通T1-6A1-4V合金板材进行处理，利用不对称乳制过程中产生的剪切作用使材料发生强烈的塑性变形而导致组织超细化，利用中间热处理使材料内部组织发生部分再结晶并增加其可变形能力，再利用对称乳制使不对称乳制处理后的板材更加平整化，且进一步细化组织，制备得到超细结构高强度T1-6A1-4V合金板材。该种板材组织内部晶粒尺寸小于500nm，为超细结构组织，从而发挥显著的晶界强化作用；同时组织内部含有大量的位错，达到位错强化的效果；显著的晶界强化和位错强化作用结合使板材具有高强度的特点。
[0017]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0018]1.本发明方法制备的T1-6A1-4V合金板材晶粒尺寸小于500nm，为超细晶，组织均匀；强度高于1200MPa，比普通T1-6A1-4V合金板材高200?500MPa ;同时保留了普通T1-6A1-4V合金板材优良的耐腐蚀性能和生物相容性等优点。
[0019]2.本发明工艺简单、可采用一般工业设备如热处理炉和乳机等来实现、不需要设计专门的模具，易于操作、生产效率高，便于工业化应用。
【附图说明】
[0020]图1为本发明所用的普通T1-6A1_4V合金板材原料的典型组织金相照片；
[0021]图2为本发明制备的超细结构高强度T1-6A1_4V合金板材经透射电镜分析所得的典型组织照片；
[0022]图3为本发明制备的超细结构高强度T1-6A1_4V合金板材的X射线衍射分析图谱；
[0023]图4为本发明制备的超细结构高强度T1-6A1_4V合金板材经拉伸测试所得的典型工程应力-应变曲线；
[0024]图5为本发明制备的超细结构高强度T1-6A1_4V合金板材经纳米压痕测试后所得的加载压力和压入深度之间的关系曲线；
[0025]图6为本发明制备的超细结构高强度T1-6A1_4V合金板材的纳米压痕硬度随压入深度变化的曲线。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0027]实施例1
[0028]以固溶时效处理状态下的普通T1-6A1_4V合金板材为初始材料制备超细结构高强度T1-6A1-4V合金板材的步骤如下:
[0029](I)前处理:采用固溶时效处理状态下厚度为1mm的普通Ti_6Al_4V合金板材为原料，其典型的组织金相照片见附图1 ;将板材置于内600°C的热处理炉中保温30分钟，得到第一半成品板材。
[0030](2)不对称乳制:利用不对称乳制过程中产生的剪切作用使T1-6A1_4V合金板材发生强烈的塑性变形而导致组织超细化。不对称乳制时乳辊初始温度为室温，将步骤(I)得到的第一半成品板材立即进行不对称乳制处理，不对称乳制的方式为乳辊直径相同而转速不同，不对称乳制过程中板材上下表面乳辊的线速度比例为1.50，乳下量为85%，不对称乳制的道次数为3，不对称乳制处理后得到的第二半成品板材的厚度为1.5mm。
[0031](3)中间热处理:将步骤(2)处理后得到的厚度为1.5mm的第二半成品板材置于600°C的热处理炉中保温15分钟，得到第三半成品板材。
[0032](4)对称乳制:对称乳制过程中乳辊的直径和转速均相同，使不对称乳制处理后的板材更加平整化，且进一步细化组织。将步骤(3)处理后得到的第三半成品板材立即进行对称乳制处理，对称乳制的乳下量为67%，对称乳制的道次数为2，得到的超细结构高强度T1-6A1-4V合金板材为0.5mm。板材样品经透射电镜分析所得的典型组织照片见附图2，可见组织内部晶粒大小在500nm以下；X射线衍射分析结果见附图3，其组织结构由密排六方结构的α相和体心立方的β相组成；板材经拉伸测试所得的典型工程应力应变曲线如附图4所示，板材的拉伸强度将近1300MPa，延伸率约为7% ;附图5为板材样品经纳米压痕测试后所得的加载压力和压入深度之间的关系曲线，对应的纳米压痕硬度随压入深度变化的曲线如附图6所示，可见在2 μπι(2000ηπι)的压入深度范围内，有效的压痕硬度值均在6GPa左右。
[0033]实施例2
[0034]以固溶时效处理状态下的普通T1-6A1_4V合金板材为初始材料制备超细结构高强度T1-6A1-4V合金板材的步骤如下:
[0035](I)前处理:采用热乳状态下厚度为1mm的普通Ti_6Al_4V合金板材为原料；将板材置于内550°C的热处理炉中保温120分钟，得到第一半成品板材。
[0036](2)不对称乳制:利用不对称乳制过程中产生的剪切作用使T1-6A1_4V合金板材发生强烈的塑性变形而导致组织超细化。不对称乳制时乳辊初始温度为室温，将步骤(I)得到的第一半成品板材立即进行不对称乳制处理，不对称乳制的方式为乳辊直径不同而转速相同，不对称乳制过程中板材上下表面乳辊的线速度比例为2.50，乳下量为31%，不对称乳制处理后得到的第二半成品板材的厚