以两相区钛合金为基体的超细晶钛基复合材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种以两相区钛合金为基体的超细晶钛基复合材料的制备方法，包括如下步骤：将钛基复合材料进行热加工；然后切割成坯料并进行打磨处理；将试样与模具同时预热，在试样表面和模具内壁均匀涂抹石墨润滑剂；将模具和试样分别进行加热保温；然后将试样放入模具通道内，使试样完全通过等径转角挤压模具的通道转角处，然后对试样立即进行水冷，完成第一道次挤压工艺；再将试样进行机械加工后逆时针旋转90°，头部倒角，经2～4次等径弯曲通道挤压变形后，即得超细晶钛基复合材料。本发明实现了钛基复合材料的强塑性变形，有效细化了其内部晶粒尺寸，该工艺流程短、操作简单；效率高，成本低；适应性强，可用于钛基复合材料的加工领域。

说明书

技术领域

本发明属于材料的塑性加工技术领域，具体涉及一种以两相区钛合金为基体的超细 晶钛基复合材料的制备方法。

背景技术

钛及钛合金因优良的机械性能和物理性能，已广泛的应用于航空、航天，能源、电 力、石油、化工、生物、医药等各个经济领域。美国，俄罗斯、日本以及欧洲各国从上 世纪40年代就开始了海绵钛的工业化以及钛合金材料的大批量生产，我国也于1958年 开始了海绵钛的试生产，现在已形成了完整的钛工业体系。但当钛合金材料发展到接近 某种性能的最高限度时，单纯依靠改变固溶元素已很难在性能上有质的提高，此时发现 通过两种途径可以获得性能更好的钛合金。一种途径是通过强塑性变形制备超细晶钛合 金，超细晶组织含有大量的内界面和非平衡晶界结构，因而表现出许多不寻常的物理、 化学和力学性能，通过这种细晶强化方式提高钛合金的强度。中国专利申请(申请号为 200810017288.8，公开号为CN101219444A，公开日为2008年7月16日)公开了一种高 强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法，该发明在室温下对工业纯钛进行了 ECAP变形，提高了工业纯钛的室温强度及其综合力学性能，晶粒尺寸由原始的28μm 细化到了0.25～0.3μm，室温屈服强度由390MPa提高到了680MPa，延伸率由36.4％下 降到了16.8％。中国专利申请(申请号为200910023545.3，公开号为CN101624690A， 公开日2010年1月13日)公开了一种难变形金属块材室温等径弯曲通道变形制备方法， 该发明在室温下对工业纯钛进行了ECAP变形，原始晶粒尺寸为23μm，屈服强度407MPa， 延伸率33％，经ECAP加工2道次后晶粒尺寸≤0.4μm，屈服强度738MPa，延伸率17％； 8道次后晶粒尺寸≤0.25μm，屈服强度801MPa，延伸率30％。

另一种途径是向合金中添加增强体制备钛基复合材料以期获得更高的性能。钛基复 合材料的研究始于上世纪70年代，美国航天飞机(NASP)和整体高性能涡轮发动机技术 (IHPTET)以及欧洲、日本同类发展计划的实施给钛基复合材料发展提供了很好的机遇和 巨大的资金保证，从而促进了钛基复合材料的发展使之成了上述年代材料科学领域的热 点。钛基复合材料既保持了钛的优良性质又具有比钛更高的比强度和比模量。以上两种 途径都使钛合金的性能得到了不同程度的提高，如果将这两种途径结合起来，研究和探 索制备出超细晶的钛基复合材料，将对钛基复合材料的性能的全面提升具有重要作用。 目前国内外尚未有关于超细晶钛基复合材料的组织性能研究的相关报道。

强塑性变形工艺(Severe Plastic Deformation，简称SPD)是在低温大应力条件 下实现材料晶粒的纳米化的一种技术。该技术已经被国际材料学界公认为是制备块体纳 米和超细晶材料的最有前景的方法。目前，实现SPD的方法主要有两种：大应力旋转法 (High Pressure Torsion，HPT)、累积叠扎法(简称ARB)和等径转角挤压法(Equal  Channel Angular Pressing，ECAP)。其中等径角挤压法是20世纪80年代前苏联学者 Segal为获得纯剪切变形而开发的一种大塑性变形的方法。与其他方法相比，等径角挤 压法的优势在于变形前后不改变材料的形状，制备工艺简单易行，成本低，晶粒细化效 果明显，适合制备较大的块状细晶材料。等径弯曲通道变形(ECAP)技术是获得大尺寸 亚微米或纳米级块体材料的有效方法之一。因此，将ECAP强塑性变形应用到多元多尺 寸增强体混杂强化的钛基复合材料领域是值得科研工作者研究和探索的一个未知领域， 尤其是揭示多元多尺寸增强体对基体钛合金在强塑性变形过程中的组织演变规律具有 很好的理论研究价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以两相区钛合金为基体的超细晶钛基复合材料的制备 方法，该方法是在高温条件下采用内角Φ为90°～135°模具对钛基复合材料进行等径 弯曲通道变形，从而获得超细晶的钛基复合材料。本发明提供的方法集成了等通道转角 挤压技术和累积迭挤压技术，不但操作简单方便，而且成本低。

本发明的目的通过以下技术方案实现，本发明涉及一种以两相区钛合金为基体的超 细晶钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)将钛基复合材料进行热加工，所述钛基复合材料由基体合金和增强体组 成，所述基体合金为α+β两相区钛合金，所述增强体由TiC、稀土氧化物颗粒和TiB 纤维组成，所述TiC、稀土氧化物颗粒和TiB纤维在钛基复合材料中的体积百分比含量 分别为0～3％、0～3％和0～10％；

步骤(2)将热加工后的钛基复合材料切割成长方体坯料，头部倒角120°，并对表 面及棱边进行打磨处理，表面加工粗糙度Ra≤3.2μm；

步骤(3)试样与模具同时预热至150～200℃，在试样表面和模具内壁均匀涂抹石 墨润滑剂，厚度为0.05～0.1mm；

步骤(4)将一号加热炉升温至500～550℃，放入模具保温65～70分钟，将二号加 热炉升温至挤压温度后，将试样放入其中保温15～20分钟；

步骤(5)将试样放入模具通道内，放入压杆，施加挤压力，使试样完全通过等径 转角挤压模具的通道转角处，然后对试样立即进行水冷，试样在此过程中产生强剪切变 形和压缩变形，至此，试样完成第一道次挤压工艺；

步骤(6)将完成第一道次挤压变形后的试样进行刨、铣机械加工，去除表面氧化 皮，表面加工粗糙度Ra≤3.2μm，试样逆时针旋转90°，头部倒角120°，重复步骤(3)～ (5)，经2～4次等径弯曲通道挤压变形后，获得表面光滑的超细晶钛基复合材料，即 可。

优选的，步骤(1)中，所述热加工包括以下具体过程：开坯锻温度为1200℃，锻 成Φ76mm棒材。

优选的，步骤(2)中，将热加工后的钛基复合材料切割成10×10×140mm的长方 体坯料。

优选的，步骤(3)中，模具内角Φ为90°～135°，外角ψ为0°～45°。

优选的，步骤(4)中，所述挤压温度小于或等于钛基复合材料的再结晶温度。

优选的，步骤(6)中，挤压路径采用Bc路线，经所述2～4次等径弯曲通道挤压 变形后，试样进入模具通道内的方向较上一道次逆时针旋转90°。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明对钛基复合材料进行了等径转角强塑性挤压变形，材料在挤压前后尺寸 不变，可以实现较大块材的加工，挤压后其表面光滑，无缺陷，实现了钛基复合材料的 晶粒细化，使其强度大大提高。

2、本发明所述模具装置可以在较低温度下对材料进行强剪切变形而不导致材料产 生边裂及断裂，有效地避免了过高温度下晶粒长大对强塑性变形细化晶粒能力的遏制， 从而更有效的细化晶粒。

3、本发明所述模具装置结构简单，设计合理，制造成本低，与压机脱离的设计提 高的模具装置的适应性，本发明工艺流程短，效率高，操作简单。

4、本发明以钛基复合材料作为切入点，率先对金属基复合材料进行了等径转角强 塑性挤压变形，为制备纳米细晶金属基复合材料做出了先导和有益尝试。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种以两相区钛合金为基体的超细晶钛基复合材料的制备方法，包括 如下具体步骤：钛基复合材料的基体合金选用的是TC4，TiC(vol0％)，稀土氧化物颗粒 (vol1.16％)、TiB(vol3.64％)纤维混杂增强复合材料；材料经真空自耗熔炼后，在高 于相变点之上1200℃锻成Φ76mm棒材；原始组织晶粒粗大，晶粒尺寸为20μm；钛基 复合材料线切割成10×10×140mm试样，头部倒角120°，表面加工粗糙度Ra≤3.2μm； 模具通道夹角为120°；将上述挤压试样和模具一起预热至200℃，在试样表面，模具通 道内壁均匀涂抹石墨润滑剂，厚度为0.05～0.1mm；将模具按照装配位安装，并用螺栓 紧固；然后，将模具放入到温度达到500～550℃的一号加热炉中保温65分钟，将试样 放入加热至挤压温度的二号加热炉中，保温15分钟，再将试样放入模具通道中，放入 压杆，将模具连同所放入的试样一起摆放至液压机床上预先设计的位置，在压杆上施加 挤压力，挤压速率为8mm／s，试样在挤压力的作用下完全通过模具转角，完成第一道次 挤压工艺；将完成第一道次挤压变形后的试样沿长度方向进行刨、铣加工，去除表面氧 化皮，逆时针旋转90°倒角120°，表面加工粗糙度Ra≤3.2μm，并使其截面尺寸满足 小于下模中通道的截面尺寸300～500μm，使试样可以滑动放置于通道中；重复第一道 次准备工作，试样与第一道次逆时针旋转90°放入模具通道中，然后挤压，第三道次在 第二道次的基础上逆时针旋转90°，第四道次在第三道次的基础上再逆时针旋转90°， 在完成ECAP4道次的变形后，获得表面光滑的超细晶钛基复合材料，晶粒尺寸由原始 的20μm细化到了600nm，屈服强度由初始的980MPa提高到了1235MPa。

实施例2

本实施例涉及一种以两相区钛合金为基体的超细晶钛基复合材料的制备方法，包括 如下具体步骤：选用钛基复合材料为(TiB+TiC+La₂O₃)／TC18，TiB(Vol8.16％)，TiC(Vol 1.26％)，La₂O₃(Vol0.58％)，模具通道夹角为90°；其它同实施例1，在完成ECAP4道 次的变形后，获得表面光滑的超细晶钛基复合材料，晶粒尺寸由原始的22μm细化到了 500nm，屈服强度由初始的990MPa提高到了1250MPa。

实施例3

本实施例涉及一种以两相区钛合金为基体的超细晶钛基复合材料的制备方法，包括 如下具体步骤：选用钛基复合材料为(TiB+TiC)／TC11基体，TiB(Vol2.5％)，TiC(Vol 2.5％)；模具通道夹角为120°；其它同实施例1，在完成ECAP4道次的变形后，获得表 面光滑的超细晶钛基复合材料，晶粒尺寸由原始的17μm细化到了550nm，屈服强度由 初始的970提高到了1240MPa。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特 定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影 响本发明的实质内容。